Jump to content

    
Sign in to follow this  
TheMad

Странная работа многоканального анализатора импульсов. Погадаем?

Recommended Posts

   Приветствую всех! Недавно попал ко мне в руки странный-престранный гамма-спектрометр поведение которого у меня не получилось объяснить.

   На всякий случай два слова о предмете разговора. Для спектрометрии гамма-излучения применяются различные детекторы обладающие следующим свойством: при взаимодействии детектора с гамма-квантом амплитуда выходящего из детектора импульса пропорциональна энергии кванта. Далее импульсы направляются на многоканальный анализатор который сортирует импульсы по амплитуде и выдаёт нам гистограмму амплитуд, где по оси Х обычно откладывается номер канала (каждый канал соответствует определённому диапазону амплитуд импульса, довольно узкому), а по оси У - число импульсов поправших в определённый канал. Каналов обычно много,  типично 1024-16384, но бывает и поменьше, есть даже совсем курьёзные случаи спектрометров с 4-5 каналами предназначенных для оценки концентрации урана\тория\калия при полевых работах на местности."Качество" с которым детектор различает кванты разных энергий называют разрешающей способностью, или разрешением. Так как разрешение зависит от энергии то для гамма-спектрометров приняли за стандарт определять разрешение как ширина пика на уровне половины высоты (ПШПВ - полная ширина по половине высоты, или FWHM - full width at half maximum, обычно выражается в процентах) при облучении детектора источником Cs137 на линии 662 кэВ. В силу природы регистрируемой величины пики гистограммы чаще всего имеют форму кривой Гаусса. Также собственное разрешение есть не только у детектора а также всего остального спектрометрического тракта который содержит/может содержать усилитель, формирователь, фильтры, пиковый детектор, АЦП и прочее, и определяется оно с помощью импульсного генератора подключаемого вместо детектора аналогичным способом: идеальный многоканальный анализатор даст на гистограмме одну-единственную "палку" шириной в 1 канал, реальный - больше. Обычно собственное разрешение современных многоканальных анализаторов намного лучше чем у детекторов работающих с ними и детектор является определяющим разрешение всего прибора компонентом. Так как в подавляющем большинстве случаев форма гистограммы пика  - гауссиана то ПШПВ системы (детектор+электроника) определяется как корень из суммы квадратов ПШПВ детектора и всей следующей за ним электроники. 

 

   Попал тут мне в руки спектрометр в составе которого имеется многоканальный анализатор выполненный на базе процессора stm32l475. Поступающие с детектора импульсы имеют колоколообразную форму с несколько затянутым спадом который длиннее фронта в пару-тройку раз, длительность его - единицы мкс, длительность не зависит от амплитуды в силу свойств применённого детектора. Далее опишу работу устройства насколько я её понял из исследования, схемы нет.

Импульс с выхода ОУ (усиленный сигнал с детектора) поступает через резистор на 220 Ом и переключающий аналоговый ключ на конденсатор ёмкостью 2.2 нФ. Ключ переключает конденсатор между резистором и входом АЦП процессора. С концов этого резистора сигнал идёт на встроенный в процессор компаратор, с компаратора - на триггер, ключ и на вход внешнего прерывания процессора. Работает схема следующим образом: когда импульс достигает своего амплитудного значения и ток перестаёт идти из ОУ через резистор в конденсатор, срабатывает компаратор, переключается триггер и конденсатор отключается от резистора и подключается к входу АЦП процессора. Получается своего рода пиковый детектор. Процессор цифрует сигнал (это занимает 5-7 мкс) и сбрасывает триггер, после чего схема готова  к обработке следующего импульса.

Подозрение у меня вызвал тот факт что при подключении заведомо хорошего детектора разрешение всего спектрометра получается намного хуже ожидаемого. В цифрах: был подключен детектор с ПШПВ=6.5%, результат составил около 9% что говорит нам о том что собственное разрешение многоканального анализатора около 6.2% (sqrt(9*9-6.5*6.5)), это катастрофически плохой показатель. Хорошие анализаторы имеют этот параметр в пределах 1%. На всякий случай работа тракта была проверена подключением внешнего многоканального анализатора импульсов с заведомо хорошими характеристиками (ПШПВ 0.4%) к выходу того самого ОУ, результат положительный - аналоговый тракт работает прекрасно, ПШПВ 6.5%.

Начал исследование с простейшего эксперимента. Взял цифровой осциллограф, записал в него форму реального импульса с детектора, перекинул её в функциональный генератор и увидел на гистограмме одну палку, или две близкой высоты (если регулировкой амплитуды попасть близко к границе раздела каналов). Иногда можно было наблюдать и 3 палки но в центральную попадало не менее 90-95% импульсов что говорит о нормальной работе анализатора, никаким ПШПВ 6.2% там и не пахнет.

Предположение о возможной нелинейности проверил на всякий случай выдачей с генератора импульсов разной амплитуды в рабочем диапазоне анализатора. Нелинейности сопоставимой с шириной канала не обнаружил. Не обнаружил также зависимости вида гистограммы от частоты повторения импульсов с генератора в широких пределах - от первых сотен Гц до 10 кГц.

На всякий случай попробовал отключить вход АЦП процессора и подключить его к отдельно изготовленному пиковому детектору на ОУ и диодиках. Сбрасывался пиковый детектор по спаду сигнала управления ключом, как раз после того как процессор закончит свои дела с АЦП - без изменений. С генератором - одна узкая палка, реальный сигнал расширяется так же с точностью до десятых долей процента ПШПВ.

Ещё один тест: даю с генератора последовательность импульсов разной амплитуды от 10% до 90% рабочего диапазона и смотрю не смещаются ли палки на гистограмме при добавлении импульсов других амплитуд. Результат - не смещаются, всё работает точно. А с детектором - расширяет пик.

Буду рад мыслям о возможной причине такого поведения анализатора.

 

 

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Не понятна причина оговора штатной схемы, её характеристики не озвучены — я бы тоже "подозревал", что она имеет право отказаться работать при подключении к ней некоего "заведомо хорошего детектора".

Share this post


Link to post
Share on other sites
57 минут назад, TheMad сказал:

Работает схема следующим образом: когда импульс достигает своего амплитудного значения и ток перестаёт идти из ОУ через резистор в конденсатор, срабатывает компаратор, переключается триггер и конденсатор отключается от резистора и подключается к входу АЦП процессора. Получается своего рода пиковый детектор. Процессор цифрует сигнал (это занимает 5-7 мкс) и сбрасывает триггер, после чего схема готова  к обработке следующего импульса.

По идее - после оцифровки не только триггер должен сбрасываться, но и конденсатор разряжаться (какое-то время). Чтобы предыдущие импульсы не влияли на последующие.

PS: Лучше бы элементарную схему нарисовали, вместо такого компота из слов....  :unknw:

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, jcxz said:

По идее - после оцифровки не только триггер должен сбрасываться, но и конденсатор разряжаться (какое-то время). Чтобы предыдущие импульсы не влияли на последующие.

PS: Лучше бы элементарную схему нарисовали, вместо такого компота из слов....  :unknw:

Это происходит само когда ключ переключает конденсатор обратно к операционнику. Это не классический пиковый детектор с диодом. Впрочем, замена на "с диодом" не влияет на работу системы. Схема узла прикреплена.

 

 

IMG_20210720_170224.jpg

2 hours ago, Plain said:

её характеристики не озвучены

Они и не прописаны нигде. Заведомо хороший детектор даёт такие же по длительности и форме импульсы как и "родной", но с меньшей ПШПВ.

При работе с другими анализаторами детекторы взаимозаменяемы, независимо от принципа работы многоканального анализатора. И с "родным" детектором она работает, разумеется, ещё хуже.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Туман ничуть не рассеялся, пока что продолжает иметь место беспричинное вмешательство в непредоставляющую ничего для подобного работающую схему и предъявление претензий.

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 часа назад, TheMad сказал:

Взял цифровой осциллограф, записал в него форму реального импульса с детектора,

Может, в этом причина. У реального сигнала ограниченный спектр и энергия в нем одна. У импульса с генератора спектр иной и энергия иная.

Опубликуете картинку импульса?

МК может непрерывно оцифровывать сигнал, а компаратор лишь скажет, когда максимум достигнут и это даст команду на обработку записанного в кольцевом буфере отрезка.

Т.е. вполне может анализироваться форма, по которой сигнал нарастает.

Share this post


Link to post
Share on other sites
32 minutes ago, adnega said:

Опубликуете картинку импульса?

Через пару часов, как буду рядом с этим всем. 

32 minutes ago, adnega said:

анализироваться форма

Точно нет по следующему признаку: при текущем потреблении тока АЦП процессора не сможет работать на нужной для этого частоте. 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Я допускаю, что энергия импульса может определяться не только высотой (амплитудой), но и шириной импульса (длительностью).

Приведенная схема способна к получению амплитуды верхушки и учету длительности.

Share this post


Link to post
Share on other sites
13 minutes ago, adnega said:

шириной импульса (длительностью).

При тестировании генератором при изменении ширины импульса положение палки на гистограмме не меняется.

Вопрос именно в том как он был поставлен изначально: почему это устройство может не подчиняться формуле сложения двух гауссиан. Ну и да, в силу свойств детекторов и последующих цепей импульсы получаются одинаковые с очень хорошей точностью, такова физика их работы (в данном случае форма импульса света сцинтилляционного крисалла при взаимодействиии с гамма-излучением).

Share this post


Link to post
Share on other sites
23 минуты назад, TheMad сказал:

Вопрос именно в том как он был поставлен изначально: почему это устройство может не подчиняться формуле сложения двух гауссиан.

Согласованы ли выход детектора со входом анализатора?

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 hours ago, adnega said:

Согласованы

Этого не требуется: частота низкая а длина дорожки не превышает пары см. Выход детектора - по сути выход ОУ оснащённого ООС, выходное сопротивление крайне мало. 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Здравствуйте,

Если аналоговый тракт в порядке - надо грешить на цифру.

Осциллограмы импульса - это входной импульс? Или тот, который уже на входе АЦП?

Какая тактовая у АЦП?

Share this post


Link to post
Share on other sites

А по вертикали на картинке какой масштаб? 

Посмотрите осциллографом, какой сигнал на конденсаторе синхронно с импульсом на выходе ОУ. 

Share this post


Link to post
Share on other sites
6 hours ago, nice_vladi said:

это входной импульс?

Да, входной.

На конденсаторе вот такой сигнал: 

image.png.807edad4072e9b7fccf18dd57d3e226a.png

5 hours ago, ViKo said:

А по вертикали

200 мВ на клетку.

6 hours ago, nice_vladi said:

Какая тактовая у АЦП?

Сие мне неизвестно, но не может быть больше 5 МГц. А ещё судя по длительности импульса и потреблению, а также по тому что во встроенных АЦП в процах признаком хорошего тона является выкидывание парочки первых результатов можно предположить что тактовая АЦП находится в пределах 0.5-1.5 МГц.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this