Формирователь сигналов амплитудного спектрометра ионизирующего излучения

Изобретение относится к области ядерной электроники, а именно к амплитудным спектрометрам ионизирующего излучения. Формирователь сигналов амплитудного спектрометра ионизирующего излучения содержит фильтр для максимизации отношения сигнал-шум, вход которого является входом формирователя сигналов, амплитудный дискриминатор и первый пиковый детектор, входы которых подключены к выходу фильтра для максимизации отношения сигнал-шум, высокочастотный полосовой фильтр, вход которого подключен ко входу формирователя сигналов, и временной дискриминатор, вход которого подключен к выходу высокочастотного полосового фильтра, при этом в него введены быстродействующий пиковый детектор, двухканальный мультиплексор и инспектор наложений, причем вход быстродействующего пикового детектора подключен к выходу высокочастотного полосового фильтра, выход быстродействующего пикового детектора подключен к первому входу двухканального мультиплексора, а второй вход двухканального мультиплексора подключен к выходу первого пикового детектора, входы управления обоих пиковых детекторов и двухканального мультиплексора подключены к соответствующим выходам инспектора наложений, два входа которого подключены к выходам временного и амплитудного дискриминаторов, а выход двухканального мультиплексора является выходом формирователя сигналов. Технический результат - повышение его пропускной способности устройства. 6 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной электроники, а именно к амплитудным спектрометрам ионизирующего излучения, и может быть использовано как в экспериментальной ядерной физике, так и в прикладных науках, занимающихся исследованиями структуры вещества.

Формирователь сигналов является устройством, ответственным за основные характеристики амплитудного спектрометра: энергетическое разрешение и пропускную способность. Наилучшее энергетическое разрешение достигается при максимальном отношении сигнал-шум, за счет выбора оптимальных значений времени формирования сигнала до его максимального значения Т_m и формы весовой функции. Уменьшение, равно как и увеличение времени формирования, относительно его оптимального значения приводит к увеличению шума и ухудшению энергетического разрешения спектрометра. Форма весовой функции фильтра, при которой отношение сигнал-шум максимально, рассматривается как оптимальная [1].

Пропускная способность формирователя сигналов определена как зависимость выходной скорости счета n_out от входной загрузки n_input. Поскольку входные сигналы случайны во времени, то в течение времени формирования сигнала возникают наложения сигналов, которые приводят к потере скорости счета событий при их регистрации. Количество потерянных сигналов зависит от мертвого времени формирователя. Мертвое время формирователя сигналов - это конечный интервал времени, необходимый для обработки одного или нескольких событий, в течение которого устройство не воспринимает последующие события, поступающие на его вход. Мертвое время обработки единичного события жестко связано со временем формирования сигнала соотношением:

,

где: Т_DT - мертвое время, k - коэффициент, определяющий соотношение между информационной и неинформационной составляющими сигнала, Tz - дополнительное мертвое время, которое иногда называют защитным.

Формула, определяющая пропускную способность формирователя сигналов в спектрометре, имеет следующий вид:

Из формулы (2) следует, что для увеличения пропускной способности необходимо уменьшать мертвое время, а следовательно, и время формирования сигнала относительно его оптимального значения. С другой стороны, уменьшение времени формирования относительно его оптимального значения приводит к ухудшению энергетического разрешения. Поэтому выбор оптимальной величины времени формирования спектрометра при высоких входных загрузках является компромиссным решением, которое достигается эмпирическим путем.

Важным фактором, определяющим мертвое время формирователя сигнала, является коэффициент k в формуле (1). Коэффициент k в значительной степени зависит от схемы формирователя сигнала. Физически этот коэффициент зависит от соотношения между длительностью сигнала до его максимального значения и длительностью его спадающей или хвостовой части.

Наиболее известными являются формирователи на основе CR-RCⁿ фильтра Гаусса [1]. Недостатком таких формирователей является достаточно длинная хвостовая часть сигнала, которая по длительности превышает его информационную составляющую, что значительно ограничивает пропускную способность формирователей, построенных на основе фильтров этого класса. Уменьшение длительности неинформационной составляющей сигнала достигается различными схемами формирователей сигналов. Одним из таких формирователей является Харвел процессор [2]. Этот формирователь в качестве оптимального использует CR-RC фильтр, в котором постоянные времени формирования различны для информативной и неинформативной составляющих сигнала. Такая схема позволяет улучшить пропускную способность формирователя сигналов за счет укорачивания его хвостовой составляющей, но отличаются своей сложностью, поскольку требует дополнительных схемотехнических решений для подавления избыточных шумов, возникающих при коммутации постоянных времени фильтра. Этот недостаток ограничивает область применения устройства в спектрометрах, где количество измерительных каналов невелико.

В многоканальных спектрометрах больших физических экспериментов, в силу специфических требований, предъявляемых к этим сложным спектрометрическим системам, где число измерительных каналов составляет несколько миллионов, преобладают формирователи сигналов на основе простых аналоговых CR-RC фильтров с времянезависимыми параметрами. Большие физические эксперименты, работающие с ускорителями заряженных частиц, отличаются также тем, что входная загрузка распределена во времени не равномерно, а имеет пульсирующий характер.

При пульсирующих входных загрузках требования к формирователям сигналов в спектрометрах ионизирующего излучения становятся более жесткими. А именно, для того, чтобы обеспечить максимальную пропускную способность спектрометра во время сгустков потока входных сигналов, укорачивания неинформативной составляющей сигнала уже недостаточно. Поэтому необходимо максимально укорачивать весь формируемый сигнал за счет ухудшения отношения сигнал-шум и энергетического разрешения. Это требование приводит к необходимости адаптивного подхода к выбору времени формирования сигнала. Под адаптивным подходом здесь понимается способность формирователя варьировать временем формирования сигнала в зависимости от входной загрузки так, чтобы не пропускать событий в периоды сгустков и максимизировать отношение сигнал-шум в периоды, когда входная загрузка не велика. Примером формирователя сигналов с адаптивным к входной загрузке временем формирования является формирователь сигналов микросхемы APV25 [3], используемой в спектрометре CMS большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Микросхема APV25 включает в себя 128 независимых измерительных каналов. При этом каждый канал включает в себя формирователь сигнала, который характеризуется тем, что работает с внешним запуском в одном из двух режимов: в оптимальном по шумам режиме, который назван режимом пиковой моды, или оптимальном по пропускной способности режиме, который назван модой обратной свертки. Входные сигналы формирователя поступают на вход зарядочувствительного предусилителя, с выхода которого сигналы поступают на вход пассивного CR-RC фильтра с постоянной времени 50 нс, а затем на дискретную линию задержки конвейерного типа. Линия задержки содержит 192 ячейки коммутируемых конденсаторов, которые переключаются с шагом дискретизации 50 нс. Такая структура обеспечивает в режиме внешнего запуска эффективную обработку в реальном времени пачки входных сигналов длительностью 4 мкс. Обработка сигналов осуществляется сигнальным процессором, работающим в двух модах. В пиковой моде, на выходе процессора формируются сигналы со значением пикового времени формирования Т_m=50 нс и длительностью по основанию T_w=300 нс. В моде обратной свертки формируется укороченный сигнал, длительность которого по основанию T_w равна постоянной времени RC фильтра τ, которая равна 50 нс. Мода обратной свертки реализуется путем взвешивания трех последовательных выборок сигнала. Интервал дискретизации нормализован относительно постоянной времени CR-RC фильтра. Коэффициенты передачи формирователя в обоих режимах равны. Следствием такой операции укорачивания сигнала является увеличение уровня шума. В моде обратной свертки шум в 1,6 раза больше, чем в оптимальной по шумам пиковой моде.

В условиях пульсирующих входных загрузок работа с формирователем микросхемы APV25 возможна с внешним управлением модами формирования сигнала. При временных интервалах, когда плотность потока входных сигналов не велика, включается пиковая мода, характеризующаяся минимумом шума, а во время сгустков потока входных сигналов включается мода обратной свертки, и время формирования сигнала уменьшается для обеспечения максимальной пропускной способности.

Недостатком формирователя сигнала микросхемы APV25 является то, что он не способен работать в непрерывном режиме самозапуска, а работает лишь в режиме внешнего запуска. Этот режим отличается, как правило, цикличным значением дополнительного мертвого времени. Размер обрабатываемой пачки событий ограничен временным интервалом, равным 4 мкс. Это значит, что он обеспечивает высокую пропускную способность только в течение интервала времени, равного 4 мкс, а затем требуется дополнительное или защитное мертвое время на подготовку к следующему циклу измерений. Серьезным недостатком является также то, что переключение между модами формирования сигнала осуществляется по внешней команде, т.е. формирователь не способен самостоятельно адаптировать свои параметры к изменяющейся входной загрузке. Таким образом, недостатки этого устройства: оно не полностью адаптивно, т.е. управляется внешним сигналом, работает только по внешнему запускающему сигналу и имеет ограниченный размер пачки обрабатываемых событий.

Известны формирователи сигналов, работающие в режиме самозапуска, в которых используются два одновременно работающих фильтра: высокочастотный полосовой фильтр (в англ. fast filter) и фильтр для максимизации отношения сигнал-шум. Высокочастотный полосовой фильтр используется для временных измерений, а фильтр для максимизации отношения сигнал-шум используется для измерений амплитуды сигнала.

Примером такого устройства является формирователь сигналов в микросхеме RENA-3, который по составу наиболее близок к заявляемому объекту и рассмотрен в качестве прототипа предлагаемого устройства [4].

Формирователь RENA-3 состоит из двух фильтров: фильтра для максимизации отношения сигнал-шум и высокочастотного полосового фильтра, а также временного дискриминатора, амплитудного дискриминатора и пикового детектора. Входы обоих фильтров подключены к входу формирователя. Выход высокочастотного полосового фильтра подключен к входу временного дискриминатора, а выход фильтра для максимизации отношения сигнал-шум подключен к входу амплитудного дискриминатора и к входу пикового детектора. Выход пикового детектора является выходом формирователя.

Формирование измеряемого сигнала осуществляется фильтром для максимизации отношения сигнал-шум. С выхода фильтра для максимизации отношения сигнал-шум сигнал поступает на вход пикового детектора. Пиковый детектор выполняет функцию фиксирования максимального значения сигнала и хранения этого значения в течение отрезка времени, длительность которого определяют считывающие устройства спектрометра, как правило, это аналого-цифровой преобразователь. С выхода фильтра для максимизации отношения сигнал-шум сигнал также подается на вход амплитудного дискриминатора. Выходной сигнал амплитудного дискриминатора подается на дополнительный выход формирователя и служит для оценки его выходной скорости счета. Формирование временного сигнала осуществляется высокочастотным полосовым фильтром, с выхода которого сигнал поступает на вход временного дискриминатора. Высокочастотный полосовой фильтр вместе с временным дискриминатором выполняют функцию формирования сигнала, предназначенного для временных измерений. Для этого выход временного дискриминатора, так же, как и выход амплитудного дискриминатора, подается на второй дополнительный выход формирователя для последующего анализа.

Недостатком формирователя сигнала микросхемы RENA-3 является то, что для случая, когда выбрано оптимальное по шумам время формирования при высоких входных загрузках, не оптимизирована пропускная способность формирователя, что уменьшает выходную скорость счета. А для случая, когда выбрано оптимальное время с точки зрения обеспечения максимума пропускной способности при низких входных загрузках ухудшается отношение сигнал-шум. Другим недостатком формирователя сигналов микросхемы RENA-3 является также то, что в нем не принято никаких мер для работы в условиях пульсирующих входных загрузок.

Техническим решением данного изобретения является создание формирователя сигнала амплитудного спектрометра ионизирующего излучения, способного самостоятельно, без внешнего вмешательства адаптировать время формирования сигнала к входной загрузке, в том числе и пульсирующей с целью повышения его пропускной способности по сравнению с известными формирователями.

Поставленная задача решается следующим путем. В известном формирователе сигналов амплитудного спектрометра ионизирующего излучения, содержащем фильтр для максимизации отношения сигнал-шум, вход которого подключен к входу формирователя сигналов, амплитудный дискриминатор, первый пиковый детектор, входы которых подключены к выходу фильтра для максимизации отношения сигнал-шум, а также содержащий высокочастотный полосовой фильтр, вход которого подключен к входу формирователя сигналов, и временной дискриминатор, вход которого подключен к выходу высокочастотного полосового фильтра, новым является то, что в него дополнительно введены: быстродействующий пиковый детектор, двухканальный мультиплексор и инспектор наложений, причем вход быстродействующего пикового детектора подключен к выходу высокочастотного полосового фильтра, выход быстродействующего пикового детектора подключен к первому входу двухканального мультиплексора, а второй вход двухканального мультиплексора подключен к выходу первого пикового детектора, входы управления обоих пиковых детекторов и мультиплексора подключены к соответствующим выходам инспектора наложений, два входа которого подключены к выходам временного и амплитудного дискриминаторов, а выход двухканального мультиплексора является выходом формирователя сигналов.

Заявляемая совокупность признаков не обнаружена в открытых публикациях.

В заявляемом устройстве благодаря введению элементов выбора времени формирования адаптированного к длительности временного интервала между входными сигналами достигается максимальное значение пропускной способности. В случае, когда временной интервал между входными сигналами достаточно велик, выбирается время формирования сигнала, оптимальное с точки зрения максимального отношения сигнал-шум, а в случаях наложений сигналов, когда интервал между входными сигналами меньше оптимального значения Т_m, выбирается время формирования, при котором максимальна пропускная способность формирователя.

В результате, в отличие от известных устройств, заявляемое устройство способно самостоятельно адаптировать свои параметры к входной загрузке, что обеспечивает ему преимущества в пропускной способности, особенно в условиях пульсирующих входных загрузок. Это подтверждается графиком сравнительной пропускной способности, который приведен на фигуре 2.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.

Фигура 1 - блок схема формирователя сигналов амплитудного спектрометра ионизирующего излучения, где: 1 - вход формирователя сигналов; 2 - фильтр для максимизации отношения сигнал-шум; 3 - первый пиковый детектор; 4 - амплитудный дискриминатор; 5 - высокочастотный полосовой фильтр; 6 - временной дискриминатор; 7 - быстродействующий пиковый детектор; 8 - инспектор наложений, 9 - двухканальный мультиплексор, 10 - выход аналогового мультиплексора.

Фигура 2 - сравнительные кривые пропускной способности формирователей с постоянным и адаптивным временем формирования для пуассоновского потока входных сигналов. Верхняя кривая - пропускная способность адаптивного к наложениям формирователя сигналов для значений пикового времени формирования 200 нс в фильтре для максимизации отношения сигнал-шум и 50 нс в высокочастотном полосовом фильтре. Нижняя кривая - пропускная способность формирователя сигналов с постоянным временем формирования 200 нс.

Фигура 3 - временная диаграмма формирования не наложенного сигнала.

Фигура 4 - временная диаграмма формирования сигнала, наложенного на фронт.

Фигура 5 - временная диаграмма формирования сигнала, наложенного на спад. На фигурах 3, 4, 5 нумерация эпюр следующая: 1 - вход формирователя сигналов, 2 - выход высокочастотного полосового фильтра, 3 - выход фильтра для максимизации отношения сигнал-шум, 4 - выход временного дискриминатора, 5 - выход амплитудного дискриминатора, 6 - эталонный интервал времени инспектора наложений, 7 - сигнал "наложение", 8 - импульс управления мультиплексором, 9 - выход быстродействующего пикового детектора, 10 - выход первого пикового детектора, 11 - выход формирователя.

Фигура 6 - область изменения шумов адаптивного формирователя сигналов в зависимости от емкости детектора при низкой входной загрузке.

Устройство в статике

В соответствии с формулой изобретения формирователь сигналов амплитудного спектра ионизирующего излучения содержит: 1 - вход формирователя сигнала; 2 - фильтр для максимизации отношения сигнал-шум; 3 - первый пиковый детектор; 4 - амплитудный дискриминатор; 5 - высокочастотный полосовой фильтр; 6 - временной дискриминатор; 7 - быстродействующий пиковый детектор; 8 - инспектор наложений; 9 - двухканальный мультиплексор, 10 - выход формирователя сигнала.

Вход формирователя сигналов 1 соединен с входами фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2 и высокочастотного полосового фильтра 5, выход фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2 подключен к входам первого пикового детектора 3 и амплитудного дискриминатора 4, выход высокочастотного полосового фильтра 5 подключен к входам быстродействующего пикового детектора 7 и временного дискриминатора 6, выходы первого пикового детектора 3 и быстродействующего пикового детектора 7 подключены к входам двухканального мультиплексора 9, входы инспектора наложений 8 подключены к выходам амплитудного 4 и временного 6 дискриминаторов, а выходы инспектора наложений 8 подключены к входам управления пикового детектора 3 и быстродействующего пикового детектора 7 и двухканального мультиплексора 9. Выход двухканального мультиплексора 9 является выходом 10 формирователя.

В исходном состоянии формирователь сигналов настраивается так, что пиковое время формирования фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2, равное Т_m, соответствует максимальному отношению сигнал-шум. Время формирования высокочастотного полосового фильтра 5, устанавливается меньше времени формирования Т_m, так чтобы обеспечить максимальную пропускную способность формирователя, но меньше настолько, чтобы на выходе фильтра не понизить амплитуду сигнала ниже заданного уровня. Коэффициенты передачи фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2 и высокочастотного полосового фильтра 5 устанавливаются равными. Пороги срабатывания амплитудного 4 и временного 6 дискриминаторов устанавливаются равными уровню пикового значения шума на выходе фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2 и высокочастотного полосового фильтра 5 соответственно. Первый пиковый детектор 3 и быстродействующий пиковый детектор 7 находятся в линейном режиме. Двухканальный аналоговый мультиплексор 9 состоит из двух линейных ключей, входы которых подключены к выходам пиковых детекторов 3 и 7, а выходы объединены. В исходном состоянии оба ключа разомкнуты.

Инспектор наложений 8 выполняет функцию регистрации наложений на сигналы, формируемые фильтром для максимизации отношения сигнал-шум. Регистрация наложений производится по счету числа логических импульсов с выхода временного дискриминатора 7 за время длительности логического сигнала на выходе амплитудного дискриминатора. Инспекция длительности временных интервалов между входными сигналами проводится относительно эталонного интервала времени, который равен времени формировании фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2, т.е. Т_m.

Алгоритм работы предлагаемого устройства следующий. Формирование измеряемого сигнала происходит одновременно двумя цепями. Первую цепь составляют высокочастотный полосовой фильтр 5, временной дискриминатор 6 и быстродействующий пиковый детектор 7. Вторую цепь, соответственно, фильтр для максимизации отношения сигнал-шум 2, амплитудный дискриминатор 4 и первый пиковый детектор 3. Параллельно с формированием сигналов в фильтре для максимизации отношения сигнал-шум и высокочастотном полосовом фильтре производится анализ наложений на фронт и спад сигнала, формируемого фильтром для максимизации отношения сигнал-шум 2. В результате, после обнаружения сигнала любым из дискриминаторов, к моменту достижения сигналом своего пикового значения на выходе фильтра для максимизации отношения сигнал-шум, инспектор наложений 8 принимает решение - было наложение или нет. В случае отсутствия наложения на выход формирователя 10 передается пиковая амплитуда сигнала, сформированного фильтром для максимизации отношения сигнал-шум 2, и зафиксированная первым пиковым детектором 3, а в случае обнаружения наложения на фронт на выход формирователя 10 передается амплитуда сигнала, сформированного высокочастотным полосовым фильтром 5, которая зафиксирована быстродействующим пиковым детектором 7. В случае наложения на спад (хвост) сигнала формируемого фильтром для максимизации отношения сигнал-шум 2 на выход формирователя 10 передается сначала амплитуда сигнала, сформированного фильтром для максимизации отношения сигнал-шум 2 с выхода первого пикового детектора 3, а затем амплитуда наложенного на спад сигнала, сформированного высокочастотным полосовым фильтром 5 с выхода быстродействующего пикового детектора 7. Таким образом, формирователь приобретает свойство адаптивности, состоящее в том, что он самостоятельно, без внешнего управления выбирает время формирования, в зависимости от длительности временного интервала между входными сигналами. Не наложенные сигналы формируются и поступают на выход формирователя 10 со временем формирования, оптимальным с точки зрения максимального отношения сигнал-шум, а наложенные сигналы формируются и выдаются на выход формирователя 10 со временем формирования, при котором максимизирована пропускная способность формирователя.

Работа устройства в динамике иллюстрируется временными диаграммами, представленными на фигурах 3-5. Рассмотрен случай, когда время формирования сигнала в фильтре для максимизации отношения сигнал-шум 2 в четыре раза больше времени формирования сигнала в высокочастотном полосовом фильтре 5.

На эпюрах 1 фигур 3, 4, 5 показаны входные сигналы. Их длительность равна времени сбора зарядов в детекторе спектрометра. Временные интервалы между входными токовыми сигналами рассмотрены для трех случаев: сигналы не наложены, наложение на фронт, наложение на спад.

На фигуре 3 показано формирование не наложенного сигнала, когда временной интервал между входными сигналами превышает мертвое время, определяемое фильтром для максимизации отношения сигнал-шум.

На фигуре 4 временной интервал между сигналами меньше времени формирования Т_m, фильтра для максимизации отношения сигнал-шум, т.е. имеет место наложение на фронт сигнала.

На фигуре 5 временной интервал между сигналами лежит в диапазоне между пиковым временем формирования фильтра для максимизации отношения сигнал-шум и его хвостовой частью, т.е. имеет место наложение на спад сигнала.

Со входа формирователя 1 сигналы одновременно поступают на вход фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2 и высокочастотного полосового фильтра 5. На эпюрах 2 и 3 показаны сигналы на выходах высокочастотного полосового фильтра 5 и фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2. На эпюрах 4 и 5 показаны логические сигналы на выходах временного и амплитудного дискриминаторов. Длительность этих импульсов равна времени превышения соответствующим сигналом порога срабатывания дискриминатора. Далее сигналы с выходов дискриминаторов 4 и 6 поступают на входы инспектора наложений 8. По переднему фронту первого из этих сигналов инспектор наложений 8 запускает алгоритм инспекции наложений, который заключается в анализе числа входных импульсов за время формирования сигнала. Для этого формируется импульс эталонной длительности, показанный на эпюре 6. Длительность импульса эталонной длительности равна пиковому времени формирования фильтра для максимизации отношения сигнал-шум 2. В течение длительности этого импульса производится инспекция наложений на фронт, которая состоит из проверки количества импульсов, поступающих с выхода временного дискриминатора 6. Если в результате инспекции будет обнаружен только один импульс, то принимается решение, что наложений на фронт не зафиксировано, если же за время действия эталонного импульса с выхода временного дискриминатора 6 будут обнаружены два импульса или больше, то принимается решение, что зафиксировано наложение на фронт, и вырабатывается сигнал "наложение". Сигнал "наложение" показан на эпюре 7. Это внутренний сигнал инспектора наложений, который используется для выработки сигналов управления пиковыми детекторами 3 и 7 и двухканальным мультиплексором 9. Еще одной функцией, выполняемой сигналом "наложение", является сброс импульса эталонной длительности. Инспекция наложений производится также и по наложениям на хвост сигнала, формируемого фильтром для максимизации отношения сигнал-шум 2. Для этого инспектор наложений 8 проверяет количество импульсов эталонной длительности за время длительности импульса с выхода амплитудного дискриминатора 4. Если в результате инспекции будет обнаружен второй эталонный импульс, то принимается решение, что зафиксировано наложение на спад, и по переднему фронту второго эталонного импульса вырабатывается сигнал "наложение".

В любом случае, независимо от того были наложения или нет, инспектор наложений 8 по окончанию импульса эталонной длительности вырабатывает импульсы управления быстродействующим пиковым детектором 7, первым пиковым детектором 3 и двухканальным мультиплексором 9. Импульсы управления двухканальным мультиплексором 9 показаны на эпюрах 8, а форма сигналов на выходах пиковых детекторов показана эпюрах 9 и 10.

При наложениях на спад формируются два импульса управления, первый - по окончанию импульса эталонной длительности подключает на выход сигнал от первого пикового детектора 3, а второй, как и в случае с наложением на фронт, совпадает с сигналом "наложение" и подключает на выход сигнал от быстродействующего пикового детектора 7.

Сигнал на выходе двухканального мультиплексора 9 показан на эпюре 11. Он же является выходным сигналом формирователя.

В результате реализации адаптивного к наложениям алгоритма формирования сигнала пропускная способность формирователя сигналов максимальна и определяется пропускной способностью высокочастотного полосового фильтра 5.

На фигуре 2 представлен график, демонстрирующий выигрыш в пропускной способности адаптивного формирователя относительно формирователя с постоянным временем формирования для пуассоновского потока входных событий и одинаковых значений времени формирования фильтра для максимизации отношения сигнал-шум.

Шумовая характеристика спектрометра с адаптивным к наложениям временем формирования характеризуется функцией, зависящей от входной загрузки. В случае, когда варьируются два значения времени формирования, шум при низких входных загрузках будет изменяться в зависимости от входной емкости детектора, как показано на фигуре 6. При низких входных загрузках, когда число наложенных сигналов мало, результирующий шум будет определяться фильтром для максимизации отношения сигнал-шум 2, а при предельно высоких входных загрузках, когда процент наложений в фильтре для максимизации отношения сигнал-шум велик, он будет определяться уже высокочастотным полосовым фильтром 5. При входных загрузках, изменяющихся во времени между этими крайними значениями, уровень шума будет варьировать между этими двумя значениями в зависимости от функции распределения сигналов во времени.

Важным преимуществом предлагаемого адаптивного формирователя является его способность работать в условиях пульсирующих входных загрузок. Так, для случая, когда на вход поступает пачка событий, в которой имеют место сплошные наложения в фильтре для максимизации отношения сигнал-шум, формирователь сигнала работает только по высокочастотному полосовому фильтру и обеспечивает эффективную обработку сигналов, как показано на фигуре 2, для входной загрузки 3×10⁶ имп/с и времени формирования в высокочастотном полосовом фильтре, равном 50 нс.

Предлагаемое устройство может найти применение в первую очередь при решении научных задач физики высоких энергий, а также при построении различного рода амплитудных спектрометров в области прикладных наук, медицины и экологии.

Список литературы

1. Цитович А.П. Ядерная электроника, Москва, Атомиздат, 1984.

2. Kandiah К., Smith A.J., Whithe G. A Pulse Processor for X-Ray Spectrometry with Si(Li) Detectors- IEEE Trans on Nuclear.Science, 1975, v.NS22, p.2058-20659.

3. M. J. French et al. Design results from the APV25 a deep sub-micron CMOS front-end chip for the CMS tracker, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 466 (2001), 359-365.

4. Patent US No US6720812 B2, Apr. 13, 2004, МПК G06F 11/00, МПК H03B 17/00.

Формирователь сигналов амплитудного спектрометра ионизирующего излучения, содержащий фильтр для максимизации отношения сигнал-шум, вход которого является входом формирователя сигналов, амплитудный дискриминатор и первый пиковый детектор, входы которых подключены к выходу фильтра для максимизации отношения сигнал-шум, высокочастотный полосовой фильтр, вход которого подключен ко входу формирователя сигналов, и временной дискриминатор, вход которого подключен к выходу высокочастотного полосового фильтра, отличающийся тем, что в него введены быстродействующий пиковый детектор, двухканальный мультиплексор и инспектор наложений, причем вход быстродействующего пикового детектора подключен к выходу высокочастотного полосового фильтра, выход быстродействующего пикового детектора подключен к первому входу двухканального мультиплексора, а второй вход двухканального мультиплексора подключен к выходу первого пикового детектора, входы управления обоих пиковых детекторов и двухканального мультиплексора подключены к соответствующим выходам инспектора наложений, два входа которого подключены к выходам временного и амплитудного дискриминаторов, а выход двухканального мультиплексора является выходом формирователя сигналов.