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.
