[TheMad 0]

   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.

 

 

 

 

[Plain 163]

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".

[jcxz 181]

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....  

[TheMad 0]

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....  

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.

 

 

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.

 

[Plain 163]

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

[adnega 10]

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.

[TheMad 0]

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. 

[TheMad 0]

2 hours ago, adnega said:

картинку импульса?

По оси Х - 5 мкс и 200 мкс на клетку соответственно.

 

 

 

[adnega 10]

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.

[TheMad 0]

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).

[adnega 10]

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?

[TheMad 0]

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. 

[nice_vladi 1]

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?

[ViKo 1]

А по вертикали на картинке какой масштаб? 

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

[TheMad 0]

6 hours ago, nice_vladi said:

это входной импульс?

Да, входной.

На конденсаторе вот такой сигнал: 

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.