187805. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és elrendezés impulzusok alak szerinti megkülönböztetésére alkalmas, amplitudótól független impulzuspár feloldási idővel és a zajszinthez automatikusan alkalmazkodó detektálási küszöbszinttel rendelkező jelfelismerő áramkör megvalósítása
187.805 .aiaaiiatt ■ 2 Mag- és atomfizikai kutatás, valamint anyagvizsgálat céljára elterjedten alkalmaznak félvezető detektoros töltött részecske, gamma és röntgen spektrométereket. A detektorból származó elektromos impulzusok feldolgozása során minden modem spektrométerben szükség van ún. jelfelismerő áramkörökre. Ezek feladata a detektorból véletlenszerűen érkező jelek detektálása és logikai azonosítása. Ezek az áramkörök informálják a spektrométer különböző részegységeit pl. az alapvonal stabilizátort, a mintavevő áramkör logikai meghajtó fokozatát, vagy idővariáns szűrők esetén a szűrő paramétereit meghatározó vezérlő egységet egy egy impulzus fellépéséről. Hatására játszódnak le a jelfeldolgozás különböző folyamatai. A jelfelismerők egyik fontos feladata az ún. pile-up eliminálás vezérlése. Itt két vagy több jel egymásra üléséből (pile-up) származó hamis amplitúdójú jelek feldolgozását kell megakadályozniuk, a mintavétel tiltásával. A pile-up eliminálás annál hatékonyabb, minél kisebb.a jelfelismerő detektálási küszöbszintje és minél rövidebb a holtideje. (Más néven impulzuspár - feloldási idő vagy pile-up feloldási idő.) A félvezető detektorokhoz csatlakozó előerősítők jelei általában gyors felfutási idejű (50-150 ns), és nagy időállandóval (50-500 ps) exponenciálisan csökkenő, egymásra ülő impulzusok. Ezek szétválasztására - és alacsony detektálási küszöb megvalósítása érdekében a jel/zaj viszony javítására - ún. időzítő szűrő (timing filter) áramköröket alkalmaznak. A legegyszerűbben ez a feladat CR differenciáló és RC integráló áramkörökkel valósítható meg. Ha a két áramkör időállandója (td = tj = RC) azonos, a szűrő kimenetén megjelenő jelek alakját íj! az I U(t) = Je-J * T T összefüggés írja le. Ilyen impulzusokat láthatunk az 1. ábrán. Ezeket a jeleket pl. egy komparátor segítségével detektálhatjuk, ha nagyságuk meghalad valamilyen UD küszöbfeszültséget.1 A fentieknek megfelelően felépített jelfelismerő áramkört és az áramkör egyes kis betűvel jelölt pontjain megjelenő jelalakokat (a megfelelő nagybetűvel jelölve) láthatunk a 3. ábrán. (Az ábrán E elválasztó fokozatot D pedig komparátort jelöl. Az egyszerűség kedvéért egységugrás alakú bemeneti impulzusokat (A) rajzoltunk. Ha a bemeneti impulzusok tetőeséssel rendelkeznek a magfizikai ! méréstechnikában ismert pólus-zérus kompenzálás - az ábrán PZ-vel jelölve - alkalmazható. Ekkor az áramkör többi pontján a jelalakok az ábrán láthatókkal megegyező marad.)2 Mint az 1. és a 3. ábrákon láthatjuk a küszöbszint átlépése után a komparátor mindaddig képtelen újabb impulzus detektálására, mig az eredetijei (jelek) nagysága az UD detektálási szint alá nem csökken. Mint a 8/1. ábrán látható az így mérhető g „holtidő” lényegesen hosszabb lehet, mint az impulzus keletkezése és detektálása közötti időtartam. Belátható, és az 1. ábráról is leolvasható, hogy a holtidő (impulzuspár feloldási idő) a jel amplitúdójának is függvénye. (Nagy amplitúdó dinamika 1Q esetén nagyságrendi eltérés is lehetséges.) Rövid impulzuspár feloldási idő érdekében célszerű a formáló időállandókat csökkenteni, ekkor azonban a jel-zaj viszony romlik, és nem valósítható meg kis amplitúdójú jelek detektálása.3 1 c Azonos formáló időállandók esetén (C,R, = R2C2) feltételezve a zaj függését az időállandó nagyságától a 2. ábra mutatja. A jó energiafeloldás érdekében a spektrométer energiamérő ágában alkalmazott - nem jelfelismerésre szolgáló - zajszürő áramkörök célszerűen az u optimális időállandóval üzemelnek. A jelfelismerőkben a rövid holtidő érdekében csak kis időállandó alkalmazható, itt azonban a zaj nagysága az időállandó további csökkentésével közelítően az időállandók arányának négyzetgyökével nő. 25 Fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy az ala- csony jelfelismerési küszöb és a kis feloldási idő egymásnak ellentmondó követelmények. Problémát jelent a pile-up feloldási idő amplitúdófiiggése is. Ez elsősorban egyes - az intenzitások 30 pontos meghatározására kidolgozott - ún. élőidő korrekciós módszerek pontosságát csökkenti. Ilyen módszerek pl. a foglaltság-jelekkel történő mérési idő - óra kapuzása,4 vagy a véletlen összegződésen alapuló intenzitás meghatározása.5 („Random 35 summing” módszere.) A fentiekben összefoglalt problémák megoldására szolgál a találmány szerinti eljárás és elrendezés. A találmány tárgyát képező eljátás szerint a jelfelismerőt a jel detektálásának időpillanata után alapkő helyzetbe állítjuk. Ez lehetővé teszi, hogy az alkalmas legyen újabb impulzusok felismerésére. Az eljárásnak megfelelő alapelrendezés a 4a. ábrán látható. A C1R t differenciáló áramkör, mely szükség sze- 45 rint PZ pólus-zérus kompenzáló áramkörrel van kiegészítve, kimenetével egyik pólusával földelt S, elektronikus kapcsolóra, valamint az E elválasztó fokozat bemenetére csatlakozik. Az E elválasztó fokozat kimenetéhez R2C2 integ- 50 ráló tag kapcsolódik, melynek kimenete egy D komparátor egyik bemenetéhez, másrészt egy egyik pólusával földelt S2 elektronikus kapcsolóra van kötve. A D komparátor másik bemenetére a detektálási küszöbszintet meghatározó UD referen- 55 cia feszültség u pont csatlakozik, míg kimenete MM monostabil multivibrátor bemenetéhez van kötve. Az MM monostabil multivibrátor kimenete az S, és S2 elektronikus kapcsolók vezérlő bemenetelhez csatlakozik és egyúttal ez a jelfelismerő 60 áramkör kimenete is. A bemeneti jelek legyenek 2
