Спектрометрический усилитель

 

Изобретение относится к технике спектрометрических измерений с полупроводниковыми детекторами ядерных излучений. Цель изобретения - повышение точности путем энергетического разрешения и повышения быстродействия путем компенсации эффекта "баллистического дефицита". Это достигается тем, что определяют амплитудную добавку, которую складывают в сумматоре с амплитудой импульса на выходе основного усилителя и таким образом находят амплитуду импульса, соответствующую нулевому времени собирания. Новым является введение дополнительного канала усиления - формирования, вход которого подключен к выходу первой секции квазитреугольного формирователя, а выход связан с выходным сумматором. В этот дополнительный канал входят дифференцирующее звено, быстрый усилитель, пиковый детектор, буфферный усилитель, устройство выборки - хранения, еще одно дифференцирующее звено, активный интегрирующий фильтр и резистор связи с сумматором. С помощью такого канала находят момент окончания импульса тока в детекторе и в этот момент стробируют начальную часть квазитреугольного импульса, определяя необходимую амплитудную добавку для компенсации. 2 ил.

Изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности к методике спектрометрических измерений с полупроводниковыми детекторами ядерных излучений. Известен спектрометрический усилитель с формирователем квазигауссовской формы. Недостаток такого усилителя состоит в том, что амплитуда импульса на выходе усилителя зависит от времени собирания заряда в детекторе. Проявляется так называемый эффект "баллистического дефицита". Чем больше время собирания в детекторе, тем меньше амплитуда импульса, хотя энергия, выделенная в детекторе, одинакова. Известно также устройство с компенсацией баллистического дефицита путем введения амплитудной добавки к измеренному значению амплитуды. Это устройство имеет сложную конструкцию, так как для определения амплитудной добавки необходимо прецизионное измерение временной задержки пикового значения выходного импульса. Кроме того, устройство содержит два сложных узла - управляемые интегратоpы. Наиболее близким к изобретению является спектрометрический усилитель с формирователем квазитреугольной формы. Это устройство включает в себя дифференцирующий СR-фильтр, три активных RC-фильтра, аналоговый сумматор и соответствующие связи, обеспечивающие формирование на выходе сумматора импульса квазитреугольной формы. Недостаток усилителя состоит в том, что в этом устройстве нет компенсации "баллистического дефицита" и энергетическое разрешение существенно ухудшается из-за флуктуаций времени собирания. Цель изобретения - повысить энергетическое разрешение (повысить точность измерения), а также быстродействие путем компенсации эффекта "баллистического дефицита". Указанная цель достигается тем, что в спектрометрический усилитель, содержащий дифференцирующее CR-звено, три последовательно включенных активных RC-фильтра и сумматор, причем вход дифференцирующего звена служит входом устройства, выход дифференцирующего звена соединен с входом первого активного RC-фильтра, выходы всех активных RC-фильтров соединены через соответствующие резисторы с входом сумматора, а выход сумматора служит выходом устройства, дополнительно включены второе дифференцирующее звено, усилитель, пиковый детектор, буферный усилитель, устройство выборки-хранения, третье дифференцирующее звено, четвертый активный RC-фильтр и четвертый резистор, причем вход второго дифференцирующего звена соединен с входом устройства, выход этого звена соединен с входом быстрого усилителя, выход быстрого усилителя соединен с входом пикового детектора, выход пикового детектора соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения, выход первого активного RC-фильтра дополнительно соединен с входом буферного усилителя, выход буферного усилителя соединен с вторым входом устройства выборки-хранения, выход устройства выборки-хранения соединен с входом третьего дифференцирующего CR-звена, выход этого звена соединен с входом четвертого активного RC-фильтра, а выход этого фильтра через четвертый резистор соединен с входом сумматора. На фиг.1 показана блок-схема усилителя, где при этом введены следующие обозначения: 1 - вход устройства, 2 - первое дифференцирующее CR-звено, 3 - усилитель, 4-6 - соответственно первый, второй и третий активные RC-фильтры, 7, 8, 9 - соответственно первый, второй и третий резисторы, 10 - сумматор, 11 - выход устройства, 12 - второе дифференцирующее CR-звено, 13 - второй усилитель, 14 - пиковый детектор, 15 - третий (буферный усилитель, 16 - блок выборки-хранения. 17 - третье дифференцирующее CR-звено 18 - четвертый RC-фильтр, 19 - четвертый резистор. Вход устройства соединен с входом дифференцирующего CR-звена 2, выход этого звена соединен с входом усилителя 3, выход которого соединен с входом первого активного RC-фильтра, выход фильтра 4 соединен с входом фильтра 5, выход которого соединен с входом фильтра 6. Выходы всех фильтров через резисторы 9, 8 и 7 соединены с входом сумматора 10, выход сумматора 10 служит выходом всего устройства 11. Кроме того, вход 1 устройства соединен с входом дифференцирующего звена 12, выход этого звена соединен с входом усилителя 13, выход которого соединен с пиковым детектором 14. Выход этого детектора соединен с управляющим входом блока 16 выборки-хранения, выход RC-фильтра 4 дополнительно соединен с входом буферного усилителя 15. Выход этого усилителя соединен с вторым входом 16 выборки-хранения, выход этого блока соединен с входом третьего дифференцирующего CR-звена 17. Выход звена 17 соединен с входом активного RC-фильтра 18, а выход этого фильтра через четвертый резистор 19 соединен с входом сумматора 10. Элементы 1-11 устройства составляют усилитель с формирователем квазитреугольной формы, при этом RC-фильтр 4 самый быстродействующий из трех фильтров. Именно этот фильтр участвует в образовании нижней части переднего линейно нарастающего фронта всего квазитреугольного импульса на выходе усилителя. Второй и третий активные RC-фильтры более медленные и они совместно формируют вершину и спадающую часть выходного импульса. Это обстоятельство важно для понимания принципа действия компенсации "баллистического дефицита", по которому работает предложенное устройство. В отличие от известных, в которых напряжение компенсации вырабатывается на основе измерения задержки пикового значения выходного импульса, в предложенном устройстве напряжение компенсации формируется из стробируемого значения выходного сигнала в момент окончания импульса тока детектора. Правомерность такого способа компенсации можно доказать следующим образом. Импульс тока в детекторе имеет форму, близкую к прямоугольной. При этом величина дефицита амплитуды зависит квадратично от длительности импульса тока. Если в усилителе используется формирователь строго треугольной формы, то передний фронт выходного импульса будет линейно нарастающим только в том случае, если время нарастания входного сигнала равно нулю. В случае, когда длительность импульса тока (и время нарастания) не равно нулю, то выходной импульс в начальной части (в течение длительности импульса тока) будет нарастать по квадратичному закону, т.е. так же как нарастает "баллистический дефицит". Таким образом, стробируя выходной квазитреугольный импульс в момент окончания импульса тока, находится величина, пропорциональная дефициту. Взяв ее с определенным весом (точный расчет показывает, что нужно взять половину), получают необходимое напряжение коррекции. Учитывая замечания, сделанные выше, выгоднее стробировать не выходной импульс, а импульс после первого активного фильтра, так как последующие фильтры существенно увеличивают задержку и ухудшают точность стробирования. Устройство работает следующим образом. На фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов, (номер диаграммы соответствует тому узлу, с которого сигнал снимается). Входной сигнал поступает на вход основного усилителя с формирователем квазитреугольной формы. На выходе сумматора 10 без коррекции в случае большого времени собирания (на диаграммах 1 и 10 показано пунктиром) будет наблюдаться квазитреугольный импульс, амплитуда которого меньше треугольного импульса, соответствующего нулевому времени нарастания. Одновременно входной сигнал поступает на вход второго дифференцирующего звена 12. Постоянная времени этого звена больше длительности импульса тока и меньше постоянной времени основного усилителя. Это необходимо для того, чтобы лучше выделилось максимальное значение импульса 12, соответствующего окончанию импульса тока. Момент максимума фиксируется пиковым детектором 14. Усилитель 13 обеспечивает необходимое усиление для работы пикового детектора 14. Блок 16 выборки-хранения управляется импульсом с детектора 14. На основной вход блока выборки-хранения поступает сигнал с выхода первого активного фильтра. На выходе блока 16 возникает прямоугольный перепад напряжения, из которого формируется квазигауссовский импульс, причем постоянные времени фильтров 17 и 18 выбираются такими, чтобы максимум импульса совпал с максимумом квазитреугольного импульса. Начало импульса блока 16 зависит от длительности времени собирания, но и максимум основного квазитреугольного импульса при этом смещается, так что совпадение максимумов обеспечивается автоматически. Выходной импульс сумматора 10, показанный на диаграмме, равен сумме квазитреугольного импульса (выделенного пунктиром) и квазигауссовского импульса с фильтра 18, так что сумма этих импульсов по амплитуде всегда равна исходному треугольному импульсу. Резистор 19, как и резисторы 7-9 служат для подбора необходимых коэффициентов передачи. Они обеспечивают создание квазитреугольного импульса без компенсации. (На диаграмме 10 показаны импульсы I, II, III, формируемые активными фильтрами первым, вторым и третьим по отдельности, а также суммарный квазитреугольный импульс), При использовании изобретения повышается энергетическое разрешение путем введения компенсирующей добавки к измеряемому импульсу. (56) Цитович А. П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.88. Goulding F.S. et all. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-35, 1988, N 1, р.119. Goulding F.S. et all. IEEE Trans Nucl. Sci. NS-30, N 1, р.301 (1983).

Формула изобретения

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий входную клемму, к которой последовательно подключены первое дифференцирующее RC-звено, первый усилитель и первый RC-фильтр, выход которого подключен к входу второго RC-фильтра, подключенного своим выходом к входу третьего RC-фильтра, выход которого через первый резистор подключен к входу сумматора, который через второй и третий резисторы подсоединен соответственно к выходам второго и первого RC-фильтров, а выход сумматора связан с выходной клеммой устройства, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетического разрешения и повышения быстродействия путем компенсации эффекта баллистического дефицита, в него введены второе и третье дифференцирующие RC-звенья, второй и третий усилители, блок выборки-хранения, четвертый RC-фильтр, четвертый резистор и пиковый детектор, вход которого через последовательно соединенные второй усилитель и второе дифференцирующее RC-звено подключен к входной схеме устройства, а выход связан с первым входом блока выборки-хранения, выход которого через последовательно соединенные третье дифференцирующее RC-звено, четвертый RC-фильтр и четвертый резистор подключены к входу сумматора, при этом второй вход блока выборки-хранения через третий усилитель связан с выходом первого RC-фильтра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2