Ядерная спектрометрия

Тематикой ядерной спектрометрии я более-менее активно занимался лет 20, вплоть до 2017 года. Хиреющая украинская наука не могла позволить себе изделия ‘ORTEC’ либо ’ CANBERRA’ в связи с их запредельной стоимостью, в то же время, как-то нужно было выполнять исследовательские гранты, а самое существенное, нужно было осуществлять паспортизацию сцинтилляционных кристаллов, которые выращивал наш институт (Институт монокристаллов г. Харьков Украина). После 2017 года все разработки по этой тематике я свернул, в отсутствие заказов они себя просто не окупали. (Все разработки производились мной , как частным лицом, и никогда не финансировались никакими структурами . Попытка развивать подобную тематику в институте потерпела сокрушительный провал).
Сейчас, под заказ , я предлагаю клиентам последнюю модификацию спектрометра ( UPGRADE 2017). Несмотря на минимальную цену (около $1000 с программой) заказчиков с каждым годом все меньше и меньше, и, наверное, скоро все сойдет на нет. Последняя модернизация оказалась достаточно удачной, только в отделе сертификации кристаллов (Институт монокристаллов НАН Украины) работает 7 таких спектрометров, они ежегодно проходят поверку метрологической службы Института Метрологии и нареканий на их работу никогда не возникало. В исследовательских лабораториях ( Украинский физико-технический институт (УФТИ), Институт монокристаллов НАН Украины) работает еще с десяток таких приборов. Предлагаемая статья написана лет 5 назад, принципиальные моменты модернизации выделены жирным текстом. Статья может быть интересна тем, что в открытом доступе практически отсутствуют подобные публикации.

Многоканальный анализатор импульсов – сцинтилляционный спектрометр.

Где-то в году 2005 на рынке Украины появился процессор C8051F060 фирмы Silicon Laboratories. Он поразил меня обилием встроенной периферии и прежде всего двух 16-разрядных АЦП последовательного приближения с производительностью до 1 млн. преобразований в секунду. До этого, я разрабатывал амплитудные анализаторы на базе как минимум трех микросхем - процессора, АЦП и PLM (EPM3128A100). АЦП мне приходилось применять как с SPI интерфейсом (AD7893), так и с параллельным интерфейсом (AD9224). И хотя устройства получались вполне работоспособными, до совершенства все же было далеко.

Следующим моментом, продвинувшим техническую реализацию прибора, стала доступность высоковольтных трансформаторов от блоков управления подсветкой панелей ноутбуков. Нужно отметить, что разработка эффективного источника высокого напряжения для ФЭУ всегда была сложной задачей. Тем более, что напряжение питания спектрометра жестко ограничивалось 5 вольтами шины USB, а реально, в зависимости от качества кабеля оно могло быть и того меньше. Диапазон же напряжение питания ФЭУ никак не может быть меньше 1200V при суммарном сопротивлении делителя в районе 5 МОм. То есть, конечно, можно использовать и меньшее напряжение, но тогда становится проблематичным решение ряда задач, например однофотонные методики.

В конечном итоге, техническое задание на разработку выглядело примерно следующим образом:

1. Разрядность АЦП спектрометра – 12 бит.

2. Емкость канала -16 бит.

3. Интегральная нелинейность, не более 1 %.

4. Максимальная статистическая загрузка 30000 с-1

5. Постоянная времени формирования спектрометрических усилителей от

1 µS до 30 µS.

6. Интегрированный блок высокого напряжения 0 - 1200V.

7. Интерфейс связи с ПК – USB.

8. Напряжение питания +5V по шине USB.

Следует заметить, что я не собирался разрабатывать спектрометр для физиков-ядерщиков. Моя задача была гораздо скромнее – доступный и дешевый прибор для районных и областных СЭС, экологических служб атомных станций, и прочих многочисленных пользователей, использующих в большинстве своем, сцинтилляционные детекторы излучения.

Представляю результаты этой работы. Для удобства, схема спектрометра представлена в виде трех функционально законченных блоков, способных работать как в виде спектрометра, так и отдельно, в составе другой аппаратуры.

Это:

Блок амплитудного анализатора импульсов.

Блок спектрометрического усилителя.

Блок высокого напряжения (источник питания ФЭУ).

Блок амплитудного анализатора импульсов.

Амплитудный анализатор – основа всего спектрометра. На мой взгляд, это самая интересная и оригинальная часть спектрометра. Функция анализатора – оцифровывать импульсы, пришедшие на его вход, и производить инкремент ячейки памяти анализатора, соответствующей амплитуде обработанного импульса. Анализатор работает с положительными импульсами квазигауссовой формы сформированными спектрометрическим усилителем, меандром, а также может работать в режиме оцифровки положительного сигнала с принудительным запуском. Работает анализатор под управлением программы, записанной во флеш - память процессора. Задание режимов работы и считывание данных осуществляется от ПК по USB интерфейсу.

напряжение для минимизации дифференциальной нелинейности спектрометра методом Гати (методом статистического разравнивания ). Это напряжение в процессе набора циклически меняется от 0 до ≈ 8mV. (16 каналовна входе АЦП) ступеньками по 0.5 mV за 1 секунду. Параллельно с этим , на такое же значение увеличивается порог дискриминации. С выхода сумматора сигнал подается на дифференциатор, собранный на U10, компаратор порога на U4, и собственно, АЦП (18 и 9 выводы процессора U3). Компаратор порога сравнивает текущее напряжение импульса и напряжение порога дискриминации, сформированное DAC1 процессора (вывод 1). При превышении уровня импульса над пороговым напряжением компаратор порога срабатывает и разблокирует по выводу 5 работу компаратора экстремума на U5. В точке экстремума импульса (на вершине) сигнал дифференциатора меняет полярность (проходит через 0).В этот момент компаратор экстремума формирует фронт, запускающий работу АЦП. В дальнейшем, запуск АЦП блокируется процессором до того момента, пока напряжение импульса не станет меньше напряжения порога и компаратор экстремума заблокируется компаратором порога. Диоды D1,D2 защищают входы АЦП. По входу P3.2 (вывод 52) процессор отслеживает состояние компаратора порога. После оцифровки импульса, из него математически вычитается значение подложки Гатти и производится инкремент содержимого соответствующего полученному результату канала памяти анализатора.

Такая схема оцифровки импульсов была разработана мною где то в году 1995, и с тех пор более - менее успешно применялась на самых разных моделях спектрометров. Она надежно работает с импульсами временем формирования от 1 µS до 10 µS.

Большое время формирования требует иногда подбора значений RC цепочки R18,C12 и резистора, определяющего коэффициент усиления дифференциатора U7 .

Для времени в 0.5 µS необходимо ответственно выбрать тип операционного усилителя дифференциатора U7, а так же подобрать значение RC цепочки R18,C12.

При обработке импульсов с временем формирования от 10 µS и более, механизм оцифровки импульсов несколько другой. Процессор отслеживает состояние компаратора порога, и при превышении напряжения входного импульса порога дискриминации начинает принудительно запускать АЦП с максимально возможной частотой. Каждое последующее значение АЦП сравнивается с предыдущим максимальным, и максимальное из двух значений сохраняется в буфере. Этот процесс продолжается, пока компаратор порога не возвратится в исходное состояние. После этого, в соответствии со значением из буфера процессора увеличивается содержимое соответствующего канала анализатора.

Применение внешней памяти данных (U1) обусловлено скорее историческими традициями разработки спектрометров с 4096 каналами оцифровки. Для абсолютного большинства задач достаточно 2048 каналов, и тогда отпадает необходимость применения внешней памяти данных, внутреннего ОЗУ процессора (4k) вполне достаточно.

Внутренний генератор FT232 не задействован, микросхема тактируется от C8051F060.

Изначально у меня были сомнения в таком способе тактирования, но в дальнейшем, в процессе работы, по этому поводу замечаний не возникало.

Память на U9 это скорее экзотика и дань разработчикам FT232. Я ее практически никогда не впаиваю. В моей практике, на ПК редко эксплуатируются одновременно два устройства с FT232.

На U11 собран источник отрицательного напряжения (-5V). К сожалению, обойтись без него невозможно, он задействован в дифференциаторе, сумматоре, да и источник высокого напряжения требует биполярного питания. Спектрометрический усилитель тоже проблематично сконструировать без отрицательного напряжения питания. Эта часть схемы требует тщательной развязки от аналоговых цепей спектрометра.

На U6 собран источник питания 3.3V для процессора. Здесь нужно применять микросхему, с минимальным проходным напряжением. Иначе, при включении высокого, входное напряжение проседает (особенно при некачественном кабеле USB) и схема слежения за напряжением питания C8051F060 сбросит процессор.

Теперь еще одна существенная деталь. При работе амплитудного анализатора в составе спектрометра, цифро-аналоговый выход процессора DAC0 (вывод 25) задействован в качестве опорного напряжения для высоковольтного источника. Чтобы не применять дополнительный ЦАП я ввел в схему генератор треугольных сигналов на AD8542. Собственно говоря, это интегратор, работающий под управлением процессора. Процессор U3 периодически, с частотой 100Гц замеряет напряжение на выходе интегратора, делит его на коэффициент приведения напряжения к входу сумматора и заносит текущий результат в буфер. По достижению 0.1V либо 2.4 V процессор переключает напряжение на входе, изменяя логический уровень на P2.1 (45 вывод). На вход сумматора это напряжение, частотой около 1 Гц подается через делитель на R24,R27, ослабленное в несколько сотен раз. В процессе набора, значение приведенного напряжения интегратора, содержащееся в буфере, вычитается из результата оцифровки сигнала перед инкрементом канала анализатора. Синхронно с поданным на вход сумматора разравнивающим напряжением, меняется напряжение порога дискриминации, формируемое DAC1.При этом учитывается коэффициент усиления сумматора.

Такое решение проблемы отсутствующего ЦАПа, было ошибочным. В последних модификациях анализатора я использую в качестве ЦАПа один из модулей программируемого массива счетчиков, работающего в режиме ШИМа плюс RC фильтр высоких частот.

Для минимизации аппаратных шумов спектрометра необходимо особое внимание уделять развязке всех компонентов схемы по напряжению питания. Наличие на одной плате энергоемкого источника высокого напряжения и чувствительных к помехам дифференциатора и сумматора потребовало определенных усилий в трассировке платы спектрометра.

В анализаторе я использую один из двух АЦП в составе процессора, хотя, можно задействовать и оба. При наладке анализатора сравниваются характеристики дифференциальной нелинейности каждого АЦП, и программно активируется преобразователь с лучшей характеристикой. Для этого подается на вход треугольное напряжение и набирается в режиме оцифровки положительного сигнала с принудительным запуском где-то до 10000 отсчетов в канале. Исходя из вида спектра выбирается лучший АЦП. Наиболее критичной для дифференциальной нелинейности АЦП есть сбойка между 2047 и 2048 каналом. Кстати, для формирования пилы используется DAC0 процессора плюс RC цепочка для сглаживания ступенек. Алгоритм минимизации дифференциальной нелинейности АЦП при исследовании характеристик преобразователей, естественно отключается. Вопрос «мертвого времени » решается на программном уровне, реально, загрузка может доходить до 100000 с-1 , но в отсутствии аппаратной защиты от наложения импульсов, я не рекомендую пользователям работать с большой скоростью счета. Выводы JTAG интерфейса подтянуты внешними резисторами. Это связано с рядом аварий при разработке прибора, когда закорачивание выхода высокого напряжения приводило к пробою JTAG интерфейса и делало невозможным дальнейшее перепрограммирование процессора (кстати, сам блок высокого напряжения оставался цел). С чем это было связано, с конкретной трассировкой платы либо особенностями портов процессора я не разобрался, но резисторы с тех пор ставлю обязательно, и подобные неприятности более не повторялись.

В последних модификациях анализатора я полностью отказался от организации USB интерфейса на базе микросхем FT232, FT245 отдав предпочтение хоть и дорогому, но логически более совершенному и быстрому C8051F340 (C8051F321- как более дешевый вариант).

Блок спектрометрического усилителя.

Спектрометрический усилитель собран по классической схеме (вспомним добрым словом советских инженеров и их БУИ-3К, который, в свою очередь, мало отличался от изделий фирмы ORTEC). Конструктивно, он выполнен в виде съемного модуля и коммутируется с платой анализатора посредством колодок соединителей с шагом 2 мм. Это дало мне возможность отказаться от элементов перестройки времени формирования усилителей. То есть, каждый усилитель настраивается на конкретное время формирования (τ). Практика показывает, что потребитель работает, как правило, с одним типом детекторов, в редком случае с двумя. Заменить модуль усилителя - дело пары минут, а в отношении цены и надежности такой выбор оказался вполне оправданным. Тем более, что мои заказчики работают с временами формирования от 1µS до 30 µS (Cs, NaI+Tl, CsI+Tl, PbWO4 ) и предусмотреть такой диапазон перестройки достаточно проблематично.

На U2 собран зарядочувствительный усилитель. Его инверсный вход непосредственно соединен с анодом ФЭУ включенным по схеме с заземленным анодом. Подключение с заземленным катодом требует на входе разделительной емкости, и отличается повышенными требованиями к напряжению питания ФЭУ, поэтому я его редко использую. Диод D1 служит для защиты входа зарядочувствительного усилителя. Ставить ли D1, и куда коммутировать его анод, на землю, либо -5V, зависит от конкретных условий работы усилителя.В быстрых усилителях нужно иметь в виду его емкость. Параметры RC цепочки (C1, R1) выбираются из соображений оптимизации баллистической ошибки, при работе с конкретным типом детектора.

На входе дифференциатора, собранного на U1 применена схема компенсации полюса нулем.

Коэффициент усиления регулируется с помощью набора ключей ADG431. По умолчанию, все ключи матрицы разомкнуты и коэффициент усиления определяется отношением (R14+R15)/R13. Кстати, R15 служит для компенсации сопротивления канала открытого ключа. Пользователь может программно установить 5 режимов усиления,(*1, *2, *3, *4, *5), из схемы понятно, что их может быть и 16, но это потребует тщательной подборки номиналов резисторов.

Схема формирования базовой линии разрабатывалась исходя из бюджета и доступности компонентов, в 2000 году, этим объясняется применение таких микросхем как LM311, HC4052 и 74123 . Мультивибратор формирует строб, длительностью около 10τ (R16, C9) , который закрывает вход интегратора (посредством ключа на HC4052) на время прохождения импульса. Это решение мне не очень нравится, хотя работает надежно и устойчиво, (если обратную связь правильно подобрать). В новых разработках я регулирую базовую линию в цифровом виде при помощи C8051F330.

На процессоре реализован цифровой медианный фильтр, данные на который подаются посредством оцифровки выхода спектрометрического усилителя с частотой ≈10τ. Из десяти отсчетов отбрасываются по три минимальных и максимальных, сумма оставшихся четырех подается на вход ПИ алгоритма, который и определяет выходной сигнал ЦАПа коррекции базовой линии. Такой механизм позволяет избежать проблем с положительной обратной связью, нередко приводящей к возбуждению системы формирования базовой линии. Смещение входного сигнала посредством суммирования с напряжением источника опорного напряжения процессора (R35, R36) необходимо для корректной обработки отрицательной ветви квазигауссового сигнала. Диод D8 предохраняет вход АЦП от отрицательного напряжения. Резистор R34 позволяет сместить управляющий сигнал в отрицательную область. Учитывая, что размер процессора 4×4мм. и потребление на рабочей частоте пара миллиампер, такая схема представляет собой хорошую альтернативу старой схеме формирования базовой линии.

Настраивается усилитель на реальном сигнале, с подходящим детектором. На тестовый выход спектрометра вешается осциллограф, устанавливается максимальный коэффициент усиления. Сначала настраивается дифференциатор со схемой компенсации полюса нулем, затем активные фильтры. И так несколько раз по кругу, добиваясь наилучшей формы выходного сигнала.

Все каскады усилителя тщательно развязаны друг от друга по питанию. Часть дросселей и конденсаторы на принципиальной схеме не указаны. Нижний слой платы усилителя (обращенный к плате анализатора импульсов), представляет собой земляной полигон с элементами фильтров питания. Вообще, неудачная трассировка может свести на нет все преимущества минимизации подобных устройств.

Используемые AD8058 не лучшие ОУ для этой схемы. Особенно это касается входного сопротивления, но они дешевы и достаточно быстры. Конечно же, зарядочувствительный усилитель лучше делать на чем-то более быстром, менее шумном и с минимальным входным током. Но обратите внимание, ОУ с токовой обратной связью, например AD8005, в этих схемах работать будет не везде.

Блок высокого напряжения для фотоэлектронного умножителя.

Из всех материалов, выложенных на сайте, почему-то наибольший интерес

посетители проявили к высоковольтному блоку питания для ФЭУ. Предлагаю последний

вариант блока, реализованный в составе спектрометра "SuganMCA" модификации 2017г.

Спектрометр прошел аттестацию, и не имел никаких замечаний со стороны

метрологических инстанций.

Параметры блока

Напряжение питания 5V (USB)

Диапазон выходного напряжения 500V - 1250V

Минимальное сопротивление делителя ФЭУ 3.5MOm (Стандартный Hamamatsu)

Пульсации высокого напряжения 0.25V-0.5V (в зависимости от нагрузки)

Порог высокого напряжения 1250V связан с применением в блоке высоковольтных SMD

конденсаторов фирмы Murata (1812 0,1uF 630V 10% X7R) в последовательном

включении. Уровень пульсаций выходного напряжения зависит от нагрузки. В качестве

источника питания для спектрометра используется USB интерфейс ПК. всвязи с чем,

потребляемый ток блока высокого напряжения ораничен -250mA. КПД блока зависит от

частоты и применяемого трансформатора и достигает 40%-50%.

Ниже, приведена принципиальная схема блока отрицательного высокого напряжения для

питания ФЭУ в схеме с заземленным анодом.

Вместо INA333 можно воспользоваться AD627, тогда отпадает необходимость

использования отрицательного напряжения питания (вывод 4 инструментального

усилителя). Конденсатор C4 - подбирается с учетом отсутствия возбуждения его емкость

варьирует в пределах до 10nF. Диод в параллель с C4 - защитный с малым током утечки.

Диод BAS85 защитный со сверхмалым прямым падением напряжения. При

однополярном питании он не нужен. Схема на C8051F330 служит для контроля и

управления блока в составе спектрометра. Ее можно заменить тумблером. Для

выключения блока, процессор шунтирует вход CTRL (ШИМ - преобразователя на

UCC28084D). Для этого можно использовать и тумблер. В процессе работы, C8051F330

измеряет управляющее напряжение на выводе порта P1.2 Если блок питания возбудился

либо перегружен, индикатор на P1.7 сигнализирует об ошибке.

Для повышения стабильности работы блока, желательно подать на референтный вxод

инструментального усилителя напряжение 0.7V (вывод 5) - это напряжение отсечки микросхемы ШИМ.

Дросселя и фильтрующие емкости по напряжению питания на схеме не указаны.

Шунтирующий конденсатор С9 минимизирует наводки на чувствительные цепи

спектрометра и ставиться максимально близко к отводу первичной обмотки

высоковольтного трансформатора. Резисторы в цепи обратной связи необходимо

использовать 1%.

В последних модификациях анализатора я использую микросхему UCC3808D-2 - у нее несколько другая обвязка.

Рис.2 Форма и временные характеристики квазигауссового импульса (τ =1µS).

Рис.3 Принципиальная схема управляемого интегратора.

Спектрометр

Спектрометр

Спектрометр

Спектрометр