Спектрометрический усилитель
исА
Союз Советских
Социапистических
Республик
<щ74 342О
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. св ид-ау (22) Заявлено 261278 (21) 2704409/18-25 (5) }PA. l(xl.
G 01 Т i/36 с присоединением заявки HQ— (23) Приоритет
Государственный комнтет
СССР по делам нзобретеннй н открытнй
Опубликовано 070681. Бюллетень Н9 21
Дата опубликования описания 0706.81 (53} УДК 5 35. 232. .61(088.8) (72) Авторы изобретения
Н. Ф. Школа, О. B. Игнатьев, Б. С. Новисов и Ю. А. Шевченко (71) Заявитель
Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический ин= титут им. С. И. Кирова (54) СПЕКТРОМЕТРИ11ЕСКИП! УСИЛИТЕЛЬ
Изобретение относится к ядерной радиоэлектронике и предназначено для использования в составе прецизионных спектрометров с полупроводниковыми детекторами (ППД) в установках рент— .гено-флюоресцентного экспресс-анализа.
Известны линейные спектрометрические усилители с квазигауссо"-скими фильтрами (1f, относящимися к фильт3 рам с постоянными во времени параметрами (время-независимые). Работа с данными линейными усилителями в условиях высоких частот следования входных сигналов требует весьма слоя- 15 ных режекторов, что обусловлено зависимостью длительности по основанию такого импульса от его амплитуды.
Значительная длительность сформированного сигнала не позволяет полу- 20 чать высоких скоростей счета выходных неискаженных наложениями импульсов спектрометрического усилителя.
Более высокие параметры имеют фильтры с переменными во времени параметрами — время-зависимые (2J.
Известен спектрометрический усилитель, содержащий последовательно соединенные линейный усилитель, формирователь на линии задержки, — 30 зависим11й стабилизатор базовой линии, лине Ный про1!уск атель стробируем!1й интегратор и схему временной привязки вход кето}ый соединен с выхо дом время зевI! "èìàãо c1абилиэатора, а т.-".к:(o выходной линейный !роп;екав тель (3).
0 !:- ако при увеличении частоты
c!!! äîè.!!.ÿ -.:.Годных сигналов растет числе наложенных импульсов вследствие конечной длительности формирования, установленной оптимальной <-.. точки зрения Bb!co I Î1 о э нерГе тическо ГО разрешения на малой;астоте следования входных сигналов. Поскольку наложенные импульсы иск ючаются режектором наложений, то частота следования выходны импульсов уменьшается. Кроме того, при высоких загрузках ухудшается точность стабилизации базового уровня, так как стабилизация осуществляется в интервалах отсутствия сигнала на входе время-зависимого стабилизатора базового уровня, что приводит к ухудшению энергетического разрешения.
Цель изобретения — повышение точности и зкспрессности спектрометрических измерений.
743420
Это достигается тем, что в устройство введены последовательно соединенные формирователь на линии задержки с малой постоянной времени формирования, время-зависимый стабилизатор базовой линии, линейный пропускатель и стробируемый интегратор, образующие второй канал обработки сигналов, а также схема временной привязки,. линейный коммутатор и логическая схема управления и синхронизации каналов, причем вход формирователя второго канала соединен с выходом линейного усилителя, вход схемы временной привязки соединен с выходом время-зависимого стабилизатора второго канала, а ее выход соединен с 15 первым входом логической схемы управления и синхронизации каналов, второй вход которой соединен с выходом схемы временной привязки первого канала, два аналоговых входа линейного комму- 2() татора соединены с выходами стробируемых интеграторов каждого канала, а выход соединен с входом выходного линейного пропускателя, входы управления линейного коммутатора, выходного линейного пропускателя, а также входы управления время-зависимого стабилизатора базовой линии, линейного пропуспателя и стробируемого интегратора каждого из каналов соединень с соответствующими выходами логиче кой схемы управления и синхронизаци
Улучшение энергетического разреш..— ния и повышение частоты импульсов, поступающих на анализ для режима высокой входной частоты, достигается путем преимущественного пропускания на анализ импульсов, сформированных во втором канале с меньшей постоянной формирования, поскольку искажения базовой линии, вызванные сраба- 4р тыванием ВЗС, и вероятность наложения, а следовательно, и исключения сигналов из анализа в канале с меньшей постоянной времени формирования меньше чем в канале с оптимальной постоянной формирования. Для малых частот следования входных сигналов, при которых вероятность наложения сигналов в канале с оптимальной постоянной формирования мала, на анализ пропускаются преимущественно сигналы этого канала, что обеспечивает высокое энергетическое разрешение, соответствующее оптимальной постоянной формирования данного фильтра.
На фиг. 1 представлена схема пред- 55 лагаемого спектрометрического усилителя; на фиг ° 2 изображены эпюры напряжений в точках 15-35, соответствующих входам и выходам узлов усилителя. 60
Устройство содержит линейный усилитель 1, формирователь 2 на линии задержки первого канала, время-зависимый стабилизатор 3 базовой линии первого канала, нормально-закрытый линейный пропускатель 4 первого канала, стробируемый интегратор 5 первого канала, схему 6 временной привязки первого канала, логическую схему 7 управления и синхронизации каналов, линейный коммутатор 8, выходной линейный пропускатель 9, формирователь 10 на линии задержки второго канала, время-зависимый стабилизатор 11 базовой линии второго канала, схему 12 временной привязки второго канала, нормально-закрытый линейный пропускатель 13 второго канала, стробируемый интегратор 14 второго канала.
Эпюры в первой колонке (фиг. 2) относятся к случаю малой частоты следования входных импульсов (отсутствие наложений). Во второй колонке (фиг. 2) представлены эпюры в случае появления таких наложений, когда начинает работать второй канал усилителя. Эпюры в третьей колонке поясняют работу устройства во время сильных наложений, т.е. в случае малого временного интервала, разделяющего входные импульсы.
Рассмотрим сначала работу устройства в случае отсутствия наложений (колонка I эпюр на фиг. 2), На входной линейный усилитель 1 поступают импульсы экспоненциальной формы, которые после усиления (U, фиг. 2, колонка !) поступают на формирователи 2 и 10 с линиями задержки (ЛЗ) первого и второго каналов, выполняющие функции фильтров верхних частот, причем время формирования во втором канале в 2-3 раза меньше чем в первом. Выходные импульсы формирователей первого и второго каналов, близкие по форме к прямоугольной, (Ц и
U >, фиг. 2 колонка I), поступают на время-зависимые стабилизатора 3 и 11 базовой линии (ВЗС) первого и второго каналов, которые устраняют сдвиги базовой линии, обусловленные медленными флуктуациями постоянной составляющей на выходе формирователей.
ВЗС представляет собой дифференцирующую цепь с постоянной времени в отсутствии входного сигнала. Одновременно с появлением входного сигнала на вход. управления ВЗС первого и второго каналов поступают управляющие импульсы (U и 0 3„, фиг. 2> колонка I) от логической схемы 7, и постоянная времени С.(з увеличивается на несколько порядков. Длительность управляющих импульсов t> -t< и t< -t< равна длительности сформированного сигнала. Тем самым исключается искажение формы сигнала на выходах ВЗС за счет дифференцирования, и выходные сигналы ВЗС первого и второго канаJioB (Uqy и 02В, фиг. 2, колонка I) аналогичны входным сигналам (с точностью до сдвижки базового уровня).
С выходов ВЗС сигналы разветвляются, 743420
10 в
45
50 работают аналогично (в режиме режекции наложенных сигналов). На выходах формирователей первого и второго каналов, а также на выходах ВЗС и схем линейного пропускания первого и второго каналов образуется суперпозиционные сигналы длительностью
60 л - с 4 и g7 — tq4 (Uq
65 и в первом канале поступают на линей ный пропускатель 4 первого канала и схему б временной привязки (СВП) первого канала, а во втором канале на линейный пропускатель 13 второго канала и СВП 12 второго канала. На выходах СВП первого и второго канало формируются логические импульсы (U O и U, фиг. 2, колонка 1),длительность KoTop tg Й4 и tg tg ppB на длительности их входных сигналов, измеренных на уровне Освп (Нсвт порог срабатывания СВП) . Сигналы с выходов СВП первого и второго канало поступают на два входа логической схемы, предназначенной для управления узлами усилителя. Линейные пропускатели первого и второго каналов в исходном состоянии закрыты и управляются импульсами от логической схемы, длительность которых равна или несколько больше длительности входных сигналов (U „ и Пз, фиг. 2, колонка I). Сигналы с выходов линейных пропускателей первого и второго каналов (U g и Ugq, фиг. 2, колонка
I) аналогичны по форме сигналами с выходов формирователей и ВЗС первого и второго каналов (поскольку на эпюрах фиг. 2 мы пренебрегли длительностью передних и задних фронтов сформированных импульсов) и поступают на стробируемые интеграторы 5 и 14 первого и второго каналов, которые выполняют функции фильтров нижних частот и управляются импульсами от логической схемы. В отсутствие сигнала управления коэффициент передачи стробируемых интеграторов близок к нулю. Сигнал управления, подаваемы от логической схемы на стробируемый интегратор первого канала (U 2, фиг. 2, колонка I) имеет длительность t4 -t большую длительности сформированного сигнала. tg Е4 первого канала. Сигнал управления на стробируеиый интегратор второго канала (093, фиг. 2, колонка I) имеет длительность t -t, равную длительности сформированного сигнала первого канала. Во время действия сигналов управления стробируемые интеграторы первого и второго каналов интегрируют входные сигналы и шум с бесконечно большой постоянной интегрирования (т.е. интеграторы являются
"идеальными"). Таким образом, выходной сигнал интегратора первого канала (Ugg, фиг. 2, колонка I) имеет на растающую часть t>-t< и плоскую часть t4-tg, а выходной сигнал интегратора второго канала (цз4, фиг.2, колонка I) - нарастайщую часть t -t4 и плоскую часть t -t . Амплитудные значения плоской части выходных импульсов интеграторов пропорциональны плошадям входных сигналов, причем в момент времени с амплитуды плоской части выходных имплуьсов интеграторов первого и второго каналов равны, что обеспечивается подбором коэффициентов передачи каналов ° После окончания импульсов управления емкость интеграторов быстро разряжается (формируется крутой задний фронт). Выходные импульсы интеграторов поступают на два входа линей-, ного коммутатора S,êîòîðûé управляется сигнал м управления с логической схемы,(U<<, фиг.2, колонка 4 ),имеющим длительность С4- q . Импульс управления переводит линейный коммутатор в положение замыкания выхода строибруемого интегратора первого канала с входом выходного линейного пропускателя 9.
При этом выход стробируемого интегратора второго канала и вход линейного пропускателя в это время разомкнуты (в исходном состоянии без импульса управления они замкнуты). Таким образом, в случае одиночного входного сигнала на вход выходного линейного пропускателя поступает сигнал (П g фиг. 2, колонка I), оптимально сформированный в первом канале. Выходной линейный пропускатель управляется сигналом с логической схемы (U, фиг.2, колонка I) длительностью t4 -t . На выходе линейного пропускателя появляется сигнал прямоугольной формы (U g, фиг. 2, колонка I) длительностью ty-tg и амплитудой, соответствующей амплитуде плоской части выходного сигнала стробируемого интегратора первого канала, который затем поступает на амплитудный анализ.
Если на вход усилителя поступят наложенные импульсы, расстояние между которыми больше времени формирования первого канала, то в этом случае выходные импульсы формирователя первого (и второго) канала уже не будут наложенными, и логика работы схемы ничем не отличается от рассмотренной, т.е. работает первый канал с оптимальным формированием
Далее целесообразно рассмотреть работу усилителя при "сильных" наложениях (колонка III на фиг. 2, случай двух наложенных импульсов), когда длительность между входными импульсами t)g - 14 (О./5, фиг. 2, колонка
lll) меньше длительности формирования как в первом, так и во втором
;каналах. В этом случае оба канала
СВП,первого и второго каналов — логические сигналы той же длительности, измеренные по уровню I, qIIII иервоro и второго каналов (U ло и Ug, 743420
55 фиг. 2, колонка 111), которые поступают на два входа логической схемы.
Критерием наложения импульсов в первом и втором каналах для логической схемы является то, что длительность импульсов с СВП больше длительности формирования на ЛЗ в первом и втором каналах. Длительности сигналов управления, поступающих с логической схемы управления на ВЗС первого
1и второго каналов (01 и 0 21, фиг.2, колонка 111) равны соответственно цлительностям сформированных сигналов первого и второго каналов. Однако импульсы управления, поступающие с логической схемы управления на линейные пропускатели и стробируемые интеграторы первого и второго каналОв (021 с U 22и U z2, 0з3, фиг. 2, колонка 111), по длительности равны сигналам, сформированным на ЛЗ формирователей первого и второго каналов 20 в отсутствии наложений (сигналы
"эталонной" длительности). Стробируемый интегратор первого канала полностью проинтегрирует входной сигнал за эталонное время т.е. проинтегрирует первый сформированный выходной сигнал формирователя и часть наложенного на него сигнала, и на выходе получится сигнал без плоской части (U 2з, фиг. 2, колонкIII), амплитуда которого в момент времени t 18 будет соответствовать некоторой эквивалентной энергии поглощенного кванта. Аналогичную форму без плоской части будет иметь и сигнал с выхода стробируемого интегратора второго канала (U- 4, фиг. 2, колонка 111). Сигнал управления, подаваемый со схемы управления на линейный коммутатор (U 24, фиг. 2, колонка Ill), имеет длительность 4Q равную эталонной длительности первого канала. Таким образом, форма выходного сигнала линейного коммутатора и входного сигнала выходного линейного поопускателя
45 (02, .фиг. 2, колонка 111) будет повторять форму выходного сигнала стробируемого интегратора первого канала, но при этом сигнал управления с логической схемы управления на выходной линейный пропускатель не подается, и выходной сигнал усилителя отсутствует.
Рассмотрим теперь работу усилителя (колонка ll на фиг. 2) при наложении входных сигналов в том случае, когда интервалы между вход1о -с (01 фиг. 2, колонка 11, случай трех наложенных сигналов) меньше длительности формирования в первом канале, но боль-ц ше длительности формирования во втором канале. В этом случае логика работы первого канала повторяет логику работы первого канала в режиме режекции наложенных сигналов, т.е. эпюры 01 - 0 24 (фиг . 2, кОлОнка 1 1 ) аналогичны эпюрам 0 -02 (фиг. 2, колонка III). Однако второй канал работает в другом логическом режиме.
На выходе формирователя второго канала формируются квазипрямоугольные импульсы без наложений (О,фиг.2, колонка II) длительностью с „.-t+, с -с., с11 -t«, равной эталонйой длительности второго канала, и амплитудой, пропорциональной соответственно амплитудам первого, второго и третьего входных импульсов. Аналогичная тройка сигналов появится на выходе ВЗС второго канала (028, фиг. 2, колонка II), которая управляется соответственно тремя сигналами эталонной длительности второго канала (0 в, фиг. 2, колонка il), поступающими с логической схемы управления. Схема СВП второго канала формирует три логических сигнала эталонной длительности (0 1, фиг. 2, колонка II), поступающих йа логическую схему управления. Синхронизация работы каналов логической схемой в данном режиме заключается в том, что во время действия импульса эталонной длительности первого канала с -tg во втором канале осуществляется интегрирование только одного импульса, начало которого совпадает с моментом начала интегрирования в первом канале (ts, фиг. 2, колонка
II}. Поэтому логйческая схема выдает два импульса управления на лине ный пропускатель длительностью сь с5 H tgg t1o (0З2i фиг. 2, КОЛОНка il), а для сигнала, начавшегося в момент времени t>, импульс управления отсутствует. Поэтому на выходе линейного пропускателя второго канала имеется два импульса (02+, фиг. 2, колонка 11) вместо трех входных..Логическая схема управления выдает два импульса управления (U g, фиг.2, колонка 11) на стробируемый интегратор второго канала, длительностью со-с и t<< -t« соответственно.
Момент времени t совпадает с моментом окончания второго сформированного импульса во втором канале, а момент времени С 12 определяется логикой работы схемы управления (как и момент времени с4 в первом канале в .случае отсутствия наложений, эпюра
022, фиг. 2, колонка I). На выходе стробируемого интегратора второго канала имеем два проинтегрированных импульса (U 4, фиг. 2, колонка 11) длительностью t - и t 2 -t1 с плос" кими частями длйтельностью t(p t 6 и
t 12"с„1, которые поступают на лйнейный коммутатор. На вход управления линейного коммутатора с логической схемы поступает импульс управления эталонной длительности первого канала
ts с6. (U 24 фиг. 2, колонка II), который замыкает выход стробируемого
743420
Формула изобретения
1. I nst
Indusсгу, 2. Сои1
Meth 100, 3. Ка г1
IEEE Тгач
457 (прото интегратора первого канала с входом выходного линейного пропускателя, но с момента tg оказываются замкнутыми выход стробиpyeMoro интегратора второго канала с входом линейного пропускателя. Поэтому на выходе линейного коммутатора имеем два импуль5 са (0, фиг. 2, колонка I I ) длительностью tа-t g u t -t
Таким образом, использование в спектрометрическом усилителе двух каналов обработки сигналов совместно с описанной логикой работы обеспечивает при высоких загрузках частоту выходных сигналов за счет пропускания на анализ неналоженных сигналов второго канала, соответствующих нагоженным импульсам в первом канале, и лучшее энергетическое разрешение тракта (при равенстве частот следования выходных импульсов данного уси- 35 лителя и известного) за счет меньшей нестабильности базового уровня второго канала.
Спектрометрический усилитель, содержащий последовательно соединенные линейный усилитель, формирователь на.линии задержки, время-зависимый
45 стабилизатор базовой линии, линейный пропускатель, стробируемый интегратор и схему временной привязки, вход которой соединен с выходом время-зависимого стабилизатора,, а также выходной линейный пропускатель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и экспрессности спектрометрических измерений, в него введены последовательно соединеннь. е формирователь на линии задержки с малой постоянной времени формирования, время-зависимый стабилизатор базовой линии, линейный пропускатель и стробируемый интегратор, образующие второй канал обработки сигналов, а также схема временной привязки, линейный коммутатор и логическая схема упрвления и синхронизации каналов, причем вход формирователя второго канала соединен с выходом линейного усилителя, вход схемы временной привязки соединен с выходом время-за исимого стабилизатора второго кана ta, а ее выход соединен с первым входом логической схемь- управления и синхронизации каналов, второй вход которой соединен с выходом схемы временной привязки первого канала, два аналоговых входа линейного коммутатора соединены с вь.ходами стробируемых интеграторов каждого канала, а выход соединен с входом выходного линейного пропускателя, входы управления линейного коммутатора, выходногo линейногo пропускателя, а также входы управления времязависимогo стабилизатора базовой линии, линейного пропускателя и стробируемого ннтегра opa каждс .Го из каналов соединены с соответствующими выходами лог."- еской с:.емы управления и синхронизации.
Источник принятые во вп11ма:-;ие nðn экспертизе гагре- t а 1с Rc.: га гсl апд
0r tec: Гata leg 19!6, 1004.
ding F.5, Nuc1. Instr, 1 3 (1972) 412.
ovac N., I3IaIock T.d., on 11 ис1 . S c i NS -22 (1975) тип1 .
