Линейный спектрометрический усилитель
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
;оциалкстических
Республик >75221О (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 17.03.78 (21) 2590877!18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.07.80. Бюллетень № 28 (45) Дата опубликазания описания 30.07.80
151) М.Кл. G 01 Т 1/36
Государственный комитет ло делам изобретений и открытий (53) УДК 535.232.61 (088.8) (72) Авторы изобретения О. В. Игнатьев, Н. Ф. Школа, В. П. Гиманов и Б. С. Новисов
Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени С. М. Кирова и Ленинградское научно-производственное объединение
«Буревестник» (71) Заявители (54) ЛИНЕЙНЫЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ
УСИЛИТЕЛЬ
Изобретение относится к области ядерной радиоэлектроники и предназначено для использования в установках рентгенофлюоресцентного экспресс-анализа.
Блоки детектирования рентгеновского излучения с ППД характеризуются наряду с малой величиной амплитуд спектрометрических импульсов относительно низким отношением сигнал — шум. Поэтому предназначенные для работы с ними спектрометричеокие усилители, кроме функции усиления сигнала, также выполняют фильтрацию шумов. Линейные спектрометрические усилители всегда содержат фильтр верхних частот (один либо два) и фильтр низких частот (либо несколько фильтров) с помощью |которых максимизируют отношение сигнал — шум.
Кроме того, все современные спектрометрические усилители обязательно включают в свой состав восстановители постоянной составляющей (ВПС), позволяющие с целью увеличения загрузочной способности спектрометрического тракта, использовать гальваническое соединение усилительных секций, кроме одной, где ВПС разделяет спектрометрические импульсы и медленные изменения постоянной составляющей, обусловленные в основном дрейфом выходного напряжения усилительных секций.
К спектрометрическим усилителям для работы с ППД предъявляются два основных требования. Во-первых, отношение сигнал — шум на выходе, характеризуемое коэффициентом превышения шума (Кп. ш), должно быть максимально возможным.
ВПС, входящий в состав усилителя должен
10 обеспечивать стабильное положение базовой линии на выходе устройства в промежутках между спектрометрическими импульсами и не ухудшать при этом Кп. ш. фильтра, совместно с которым он работает.
Во-вторых, загрузочная способность спектрометрического усилителя в конечном итоге определяется эффективной длительностью и формой спектрометрических импульсов на его выходе, так как это опреде20 тяет вероятность и степень наложения статистически распределенных во времени сигналов. При этом ВПС несколько увеличивает длительность спектрометрического импульса, полученного с соответствующим фильтром, добавляя выброс обратной полярности.
Известен линейный спектрометрический усилитель, содержащий последовательно соединенные укорачивающую цепь и буферный усилитель, а также последователь752210 u соединенные схему дифференцирования ца линии задержки, изодромный интегратор и восстановитель постоянной составляющей.
Известный спектромстрический усилитель обладает более высокими, измерительными характеристиками, но имеет недостаток, связанный с появлением спектрометрических импульсов увеличенной длительности.
Целью пзооретения является повышение точности спектрометрических измерений в условиях широкого спектра энергий квантов ионизирующего излучения и в условиях высокой интенсивности репистрацнн событий при использовании различных типов блоков детектирования в ППД путем устранения сдвига базового уровня, обусловленного непдеальностью изодромного интегратора и восстановителя постоянной составляющей.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены линейный пропускатель, блок компараторов-индикаторов перегрузки, блок компараторов-измерителей длительности и логическая схема управления, причем аналоговый вход линейного пропускателя соединен с выходом буферного усилителя, а выход — со входом схемы дифференцирования на линии задержки, а его вход управления соединен с выходом трехвходовой логической схемы,управленпя, и двум входам которой подключены блоки компараторов-индикаторов перегрузки и блок компараторов-измерителей длительности, входы которых соединены с выходом буферного усилителя и восстановителя постоянной составляющей, а третий вход логической схемы управления соединен с устройством внешнего управления.
На фиг. 1 представлена схема описываемого линейного спектрометрического усилителя; на фиг. 2 — эпюры сигналов в указанных точках схемы.
Устройство содержит укорачивающую цепь 1 с компенсацией полюса нулем, буферный усилитель 2, линейный пропускатель 8, схему 4 дифференцирования на линии задержки, изодромный интегратор 5, восстановитель б постоянной составляющей, блок 7 компараторов-инд икаторов перегрузки, логическую схему 8 управления и блок 9,компараторов-измерителей длительности.
Устройство работает следующим образом.
На входе линейного спектрометрического усилителя размещена укорачивающая цепь с компенсацией полюса нулем, которая служит для получения однополярного экстоненциального импульса независимо от постоянной спада спектрометрического имчульса на выходе используемого блока де. ектирования, а также для уменьшения динамического сдвига постоянного уровня, 10
25 зо
65 обусловленного многократными наложениями статически распределенных во времени экспоненциальных спектрометрических сигналов блока детектирования. Уменьшение динамического сдвига постоянного уровня, достигаемое благодаря уменьшению постоянной спада спектрометрических импульсов, позволяет все усиление сосредоточить в буферном усилителе 2, тем самым уменьшить уровень собственного шума, приведенного ко входу усилителя, так как в этом случае дифференцирующим и интегрируюшим фильтрами производится фильтрация шумов максимального числа усилительных секций, К выходу буферного усилителя подключены входы нормально открытого л инейного пропускателя и блока 7 компараторовиндикаторов перегрузки. В блоке компараторов-индикаторов перегрузки размещены компаратор импульсов рабочей полярности и компаратор импульсов обратной полярности, При этом уровень порога компараторов импульсов рабочей полярности установлен несколько ниже уровня ограничения по выходу буферного усилителя. Уровень порога компаратора импульсов обратной полярности установлен значительно ниже, но несколько выше уровня шумовых сигналов на выходе буферного усилителя. Логическая схема управления выполняет функцию ИЛИ по отношению к сигналам, поступающим с выхода блока компараторовиндикаторов перегрузки, т. е. закрывает линейный пропускатель 8 на время, в течение которого действует сигнал с выхода одного из компараторов-индикаторов перегрузки. Схема 4 дифференцирования на основе линии задержки осуществляет дифференцирование спектрометрического импульса и одновременно обеспечивает развязывание по постоянному току выхода линейного пропускателя и входа изодромного интегратора 5. Изодромный интегратор служит для получения на его выходе прямоугольных спектрометрических импульсов с пренебрежимо малым сколом вершины и выбросом противоположной полярности. Это достигается благодаря тому, что всякий изодромный интегратор способен передавать крутые перепады сигнала на входе и интегрирует с большой постоянной времени пологие части входного импульса. Величина скола вершинины импульса на выходе интегратора и амплитуда выброса противоположной полярности прямо пропорциональны постоянной дифференципования на линии задержки и обратно пропорциональны постоянной времен и интегрирования. Восстановитель б постоянной составляющей служит для укорачивания выброса противоположной полярности выходного импульса изодромного интегратора, а также обеспечивает развязывание по постоянному току выхода изодромного инте752210
65 гратора и входа последующего фильтря низких частот. К выходу восстановителя постоянной составляющей подсоечпнен вход блока 9 компараторов-измерителей длительности выходного сигнала схемы восстановителя постоянной составляющей. Блок компараторов-измерителей длительности сигналов содержит компаратор импу 7bcoB рабочей полярности и компаратор импульсов обратной полярностями. Величины их порогов установлены равными величинам порогов срабатывания ВПС, либо несколько ниже. Длительность выходного сигнала блока компараторов-измерителей длительности равна в этом случае времени нахождения ВПС в состоянии с большой постоянной дифференцирования, т. е. длительности спектрометрических импульсов на выходе ВПС по уровню установленных порогов ВПС.
Логическая схема 8 управления при поступлении сигнала с выхода блока компараторов-измерителей длительности производит измерение длительности этого сигнала и в случае, если последняя превышает установленную величину, вырабатывает на своем выходе импульс, закрывающий линейный пропускатель 8. Сигнал управления пропускателя длится до тех пор, пока не прекращается выходной импульс блока компараторов-измерителей длительности.
При поступлении на вход усилителя в момент перегружающего импульса на выходе буферного усилителя (точка 10) возникает импульс с плоской вершиной, амплитуда которого превышает верхний пороговый уровень блока компараторов-индикаторов перегрузки во временном интервале
t,— t, Сигнал с выхода блока 7 (точкя 11) запускает логическую схему управления 8, выходной импульс которой (точка 1211 закрывает линейный пропускатель в интервале времени tf — t>. Этим достигается исключение из импульса плоской части. Импульс на выходе линейного пропускателя (точка
18) начиня1ощийся в момент времени 11 имеет экспоненциальный спад и амплитуду, определяемую величиной верхнего порогового уровня блока компараторов-индикаторов перегрузки. После формирования на дифференцирующей линии задержки (точка 14) II на изодромном интеграторе импульс прямоугольной формы (точка 15) имеет длительность И=1 — t2, равную длительности задержки и, вследствие этого, пренебрежимо малый скол вершины и выброс обратной полярностями. На выходе восстановителя постоянной составляющей в интервале времени t> — t; позволяется прямоугольный сигнал также с пренебрежимо малым выбросом обратной поляр .ости.
При этом амплитудная информация сформированного в линейном спектрометрическом усилителе неперегружающего сигнала, который поступает на вход в момент време5
1О
50 нп 14, оказывается не11скаженной из-за присутствия псрегружающего сигнала.
Прн использовании бло а детектирования с импульсной оптосвязью на выходе зарядочувствитсльного предусилптеля формируется пилообразное линейно пзменя1о,цееся напряжение, участок с наибольшей крутизной которого является нерабочим.
Изменение напряжен ия на нерабочем участке составляет единицы вольт при длительности в несколько микросекунд, то вызывает значительную перегрузку линейного спектрометрпческого усилителя. Преобразованное дифференцирующими цепями усилителя пилообразное напряжение, участок с повышенной крутизной которого начинается в момент времени t6, имеет в точке 10 форму и полярность, представленную на временной диаграмме Ufg. Нарастание и спад описывается экспоненцпальной зависимостью с постоянной времени, равной постоянной времени полюса укорачнвающей цепи с компенсацией полюса нулем. Этот импульс в тече 4ие интервала времени, -,— tg превышает (по абсолютной величине) нижний пороговый уровень блока компараторов-индикаторов перегрузки, что вызывает появление в точке 11 импульса в течение интервала времени 1 — tg, который поступает на логическую схему управления.
Кроме то-:о, на внешний вход управления логической схсмы поступает в момент времени tf; управляющий сигнал с предварительного усилителя блока детектирования с оптосвязью. Длительность его М=-t,— t равна длительности нерабочего учас ка пилообразного напряжения. С выхода логическои схсмы управления (точка 12) на вход управления линейным пропускателем поступает сигнал, в течение интервала времени tI; — tg, закрывающий линейный пропускатель. В результате этого в точке 18 в момент времсн11 ., появляется экспоненцня 1ьны11 .-..-,нал с амплитудой, соответствуIoKBII велпчинс нижнего порогового уровня блока компараторов-,индикаторов перегрузки. Сформированный последующими узлами линейного усилителя сигнал;имеет пренебрежимо малый выброс, что не вызывает искажения амплитудной информации последующих регистрируемых импульсов.
Прп больш1гх частотах следования сигналов, статически распределенных во вре»ени, возникают многократные наложения неперегружающпх импульсов.
Наложенные неперегружающие сигналы сбр зу1от групповой имидж.п с, поступя1ощий
1:; СХОД IIIHCllHO О llPOП, С!4. . Я (TO -1КЯ
10) в fo ëåьт времени Ef;. Сфор 11рованный
=лементями 4, 5, б линейного усилителя сигнал (точка 16) поступает на вход блока 9 компараторов-измерителей длительности, выходной импульс которого начинается
752210 в момент времени . 1ь (?/ 17). Пусть длительность импульса в точке 17, определяеемая длитсльностью группового импульса в точке 16, превышает максимально допустимую длигельность сигнала в точке 1б и равную Л(=----(12 — 31I Максимально допустимая длительность устанавливается из условия непревышения величиной скола вершины надпороговой части сигнала в точке 1б (и, следовательно, величиной образующегося при этом выброса) величины порога восстановителя постоянной составляющей. На выходе логической схемы управления в lvioмент времени t
Таким образом, устранение сдвига базовой линии, а тем самым повышение точности спектрометрических измерений в условиях широкого спектра энергий квантов ионизирующего излучения и в условиях высокой интенсивности регистрации событий при использовании различных типов блоков детектирования с ППД, достигается принудительным сокращением длительностей импульсов на входе цепи: схема дифференцирования на линии задержки — изодромный интегратор-восстановитель постоянной составляющей до величины, при которой выброс противоположной полярности на выходе восстановителя постоянной составляющей не превышает величин его порогов срабатывания.
Формула изобретения
10 Линейный спектрометрический усилитель, содержащий последовательно соединенные укорачивающую цепь и буферный усилитель, а также последовательно соединенные схему дифференцирования на
16 линии задержки, изодромный интегратор и восстановитель постоянной составляющей, отл ич а ю щи и ся тем, что, с целью повышения точности спектрометрических измерений, в него введены линейный пропус20 катель, блок компараторов-индикаторов перегрузки, блок компараторов-измерителей длительности и логическая схема управления, причем аналоговый вход линейного пропускателя соединен с выходом бу25 ферного усилителя, а выход — со входом схемы дифференцирования на линии задержки, а его вход управления соединен с выходом трехвходовой логической схемы управления, к двум входам которой подключены блоки компараторов-индикаторов перегрузки и блок компараторов-измерителей длительности, входы которых соединены с выходом буферного усилителя и восстановителя постоянной составляющей, а третий вход логической схемы управления соединен с устройством внешнего управления.
752210
У,. ll<
11 уз
-я сФ 5
Ж :iс", g
Составитель 3. Челнокова
Тепрел А, Камышникова
Корректор С. Файн
Редактор F. Дайн
Заказ 890/1016 Изд. ¹ 400 Тираж 649 Подписнос
НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»
