Быстродействующие спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений

• Автор: Игнатьев, Олег Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 219 с. : ил.

Содержание

Перечень использованных сокращений и обозначений
Введение
Глава 1. Детектор и зарядочувствительный предусилитель в быстродействующих спектрометрах рентгеновского и у-диапазона 1 б
Глава 2. Формирователи спектрометрических импульсов: роль в обеспечении прецизионности спектрометра (разрешающая способность и быстродействие)
2.1. Время-инвариантные формирователи спектрометрических импульсов
2.2. Время-вариантные формирователи спектрометрических импульсов
2.3. “Экзотические” время-вариантные формирователи спектрометрических импульсов
Г лава 3. Стабилизаторы базовой линии спектрометра
3.1. Нелинейные стабилизаторы базовой линии спектрометра (NLBLS)
3.2. Линейные время-вариантные стабилизаторы базовой линии (TVBLS)
3.3. “Цифровые” стабилизаторы базовой линии (“Digital” Base-Line Stabilizers
- DBLS)
Глава 4. Вспомогательные устройства быстродействующих спектрометров:
устройства таймирования (хронирования) спектрометрических импульсов, инспекторы наложений, корректоры просчетов
4.1. Устройства таймирования в спектрометрах энергии ионизирующих излучений
4.2. Инспекторы наложений
4.3. Корректоры просчетов (“живого” / “мертвого” времени)
Глава 5. Практические реализации спектрометров и их элементов
5.1. Начальный период становления тематики. Рентгеновские полупроводниковые спектрометры на основе формирователей импульсов на линиях задержки
5.2. Программно-управляемые спектрометры рентгеновского и у-излучений
5.3. Спектрометры рентгеновского и у-излучений на электронных комплектующих мировых производителей
5.4. Сравнение возможностей и перспектив аналоговых и цифровых спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучения
Заключение
Литература
Приложение. Дискретное описание шумовых свойств спектрометрических трактов
и количественные показатели формирователей

Перечень
использованных сокращений и обозначений
ADC Analogue-to-Digital Convertor
ARTC- Amplitude and Rise-time corn-
timing pensation timing
BECF- Back Edge Constant Fraction-
timing timing
BLS Base-line stabilizer
BLR Base-line restorer
CfJi! I Cluj
Cft Rf Cfecdback t Rfcedback
CF, CFi/r CUSP-Factor
ChA Charge Amplifier

CRDN Count-Rate Depended Noise
CT, DT, LT Clock Time, Dead Time, Life Time

DF Duty Factor
DL Delay Line
DBLS “Digital” base-line stabilizer
E Energy

EDXRFA Energy Dispertive X-Ray Fluorescence Analysis (Analyzer) ELE- Extrapolated Leading Edge-
timing timing
ENC Equivalent Noise Charge
FWHM Full Width on Half Maximum
fa Digitization Frequency
f Mean Group Frequency
GI Gated Integrator
HpGe High Purity Germanium
JFET Junction Field Effect Transis-

LG Linear Gate
LED Light Emitter Diod
Limiter
Аналого-цифровой преобразователь Таймирование с компенсацией амплитудной зависимости и изменений времени нарастания импульсов.
Таймирование по методу постоянного порога с привязкой к спаду импульса
Стабилизатор базовой линии спектрометра Восстановитель постоянной составляющей (нелинейный стабилизатор базовой линии)
Паразитная емкость детектора, емкость для инжекции компенсирующего заряда
Емкость и резистор в цепи отрицательной обратной связи зарядочувствительного предусилителя. Коэффициент, показывающий во сколько раз отношение сигнала к шуму на выходе данного спектрометрического формирователя хуже, чем теоретически возможно: С7Г— в отношении параллельного и последовательного источников “белого” шума; СЬ'щ— в отношении последовательного источника, генерирующего шум со спектральной плотностью “1//” Зарядочувствительный предусилитель Дифференциирующая (разделительная) цепь, построенная на емкости и резисторе
Шум, возникающий при повышенной статистической загрузке и зависящий от ее величины Макроскопические (т.е. за время экспозиции) реальное время, мертвое время, живое время
Форма гипотетического импульса (весовой функции) в симметричного треугольника с вогнутыми сторонами и с максимумом, расположенным в +со Фактор занятости (ОР=
Линия задержки
“Цифровой” стабилизатор базовой линии (реакция -логический импульс независимо от амплитуды и формы входного воздействия)
Энергия, положение пика полного поглощения Сдвиг пика полного полощения Энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализ (анализатор)
Таймирование по методу экстраполированного фронта импульса
Эквивалентный шумовой заряд
Полная ширина пика на половине высоты (энергетическое разрешение)
Частота дискретизации временного интервала (в аналого-цифровых преобразователях по методу Vilkinson)
Средняя частота возникновения “групповых” импульсов
Стробируемый “идеальный” интегратор
Особо чистый германий — рабочее вещество детектора
Полевой транзистор с р-п переходом
Линейный пропускатель Светоизлучающий диод Ограничитель амплитуд

Afs, Afp,

Ns,Np,NI/f
NAA Neutron Activation Analysis
NFAPS Noise Free Additional Pulse
Shaping
NLBLS Nonlinear Base-line Stabilizer
PC Personal Computer
PD Peak Detector
PhD Photo Diod
РИМ Photo Multiplier
PSh Pulse Shaper
PSI Processor of Spectroscopy
Pulses (Impulses)
PZC Pole-Zero Compensation
Ri, Ro input Rate, output Rate
Rnoise Noise Rate
Ro-k

Scale
SD Semiconductor Detector
SDD Semiconductor Drift Detector
SNR Signal-to-Noise Ratio
SR Slew Rate
Sw Switch
Tcol Colection Pime
TD Micriscopic Dead Time

TdCIi Discharge Pime
I'je Delay Pime
T V»
Pm, Prneas Pime of Measurement
Ppeak Peak Pime
Ip-и Pile-up Interval
Prise Rise Pime
TV Width Pime
PVBLS Pime-variant Base-line Stabi-
lizer

V„,V„
Нормализованные передаточные функции для последовательного и параллельного источников белого шума и последовательного источника шума со спектром в виде 1//
Спектральные плотности шума от последовательного и параллельного источников белого и последовательного источника 1//- шума Нейтронно-активационный анализ Дополнительное формирование спектрометрических импульсов без ухудшения отношения сигнала к шуму
Нелинейный стабилизатор базовой линии (восстановитель постоянной составляющей)
Персональный компьютер
Пиковый детектор
Фотодиод
Фотоум ножител ь
Формирователь импульсов
Процессор спектрометрических импульсов
Компенсация полюса изображения сигнала нулем передаточной функции; цепь, укорачивающая экспоненциальные импульсы без образования выбросов противоположной полярности Скорости счета (загрузка) по входу и выходу Скорость счета шумовых импульсов Частота групповых импульсов, образованных к- кратным наложением
Крутизна проходной характеристики полевого транзистора (Ж7)
Шкала (диапазон)
Полупроводниковый детектор Полупроводниковый дрейфовый детектор Отношение сигнал/ шум Скорость нарастания Электронный ключ
Время собирания е - р+ пар в полупроводниковом детекторе
Микроскопическое (связанное с одним событием) “мертвое” время
Время дифференцирования на линии задержки Время разряда
Время задержки распространения сигнала Средняя длительность группового (образованного наложениями) импульса
Момент максимума спектрометрического импульса, момент измерения амплитуды Время достижения максимума спектрометрическим импульсом от момента возникновения Интервал наложений
Время нарастания импульса между уровнями 0,1 и
Длительность по основанию импульса (весовой функции)
Линейный время-вариантный стабилизатор базовой линии спектрометра
Напряжение динамического смещения (наложения экспоненциальных сигналов, например)
Пороговые напряжения положительное, отрицательное

искажается наложением на него упомянутых сигналов. Тр.и определяется исключительно формой спектрометрического импульса. То характеризует физически реали-зовачпый минимальный интервал между теми же импульсами. Справедливо соотношение TD > Тр.и. При быстрых ChA и ADC То определяет быстродействие “по выходу” реального спектрометра согласно выражению Ra=RiXexp(-R;-TD)
VI. Подробный анализ разновидностей цифровых фильтров не является целью настоящей работы. Более того, применительно к спектрометрам ионизирующих излучений корректнее говорить не о цифровом фильтре, а о цифровом спектрометрическом канале, т.к. в едином целом здесь присутствуют собственно фильтр, стабилизатор базовой линии и корректор просчетов. Сравнительный анализ достоинств и недостатков аналоговых и цифровых фильтров и, соответственно, спектрометров дан в разделе диссертации, посвященном собственным разработкам автора.
Главное отличие время-инвариантных и время-вариантных формирователей состоит в том, что в последних синхронно с возникновением очередного спектрометрического импульса изменяется какой-либо из параметров формирующих цепей. Это требует достаточно точной привязки к упомянутому импульсу (гаймирования). Возникающее усложнение схематики, как будет показано ниже, в ряде случаев оказывается оправданным [45].
2.1. Время-иивариантные формирователи
Это исторически первые устройства для максимизации отношения сигнала к шуму (SNR) и локализации во времени импульсов детектора ионизирующего излучения [2]. Простейший из них, содержащий С7?-дифференциатор и ЛС-интегратор. Оптимальное соотношение констант формирования таково: Тму- Т;„, =гс, где тс — так называемая угловая константа шума. Для спектральной плотности шума в виде N(a>) — а + b/со (“последовательный” и “параллельный” источники “белого” шума, приведенные ко входу предусилителя) выполнение равенства = Тс = Clnx(RsxRp)m означает превращение “окрашенного” шума на входе ChA в “белый” на выходе CR-дифференциатора7. В этом и состоит физический смысл параметра тс. Важнейшие показатели фильтра f(CR),n/+ (RC)in,J: CFcr+rc~ 1,36, CFj/y= 1,36; Тр.и=10,23тс
Фильтры с многократным RC-интегрированиеч [(CR)aij+nx(RC)intl
Они появились на рубеже 50-х и 60-х годов прошлого века. Основные их характеристики по данным работ [46,47] приведены в табл. 2.1 и на рис. 2.2.
Увеличение кратности интегрирования “я” было вызвано стремлением улучшить фильтру
7 тс = С,„х(К,х1{Г)'/2, где К,М),7/$,г.1— эквивалентное сопротивление последовательного шума; Кг - эквивалентное сопротивление параллельного шума, 1/Кг = (г; 1/2КТ) + 1/Яр