Быстродействующие спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, доктор технических наук Игнатьев, Олег Валентинович

• Игнатьев, Олег Валентинович
• доктор технических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор технических наук Игнатьев, Олег Валентинович

Перечень использованных сокращений и обозначений

Введение

Глава 1. Детектор и зарядочувствительный предусилитель в быстродействующих спектрометрах рентгеновского и/-диапазона

Глава 2. Формирователи спектрометрических импульсов: роль в обеспечении прецизионности спектрометра (разрешающая способность и быстродействие)

2.1. Время-инвариантные формирователи спектрометрических импульсов

2.2. Время-вариантные формирователи спектрометрических импульсов

2.3. "Экзотические" время-вариантные формирователи спектрометрических импульсов

Глава 3. Стабилизаторы базовой линии спектрометра

3.1. Нелинейные стабилизаторы базовой линии спектрометра (NLBLS)

3.2. Линейные время-вариантные стабилизаторы базовой линии (TVBLS)

3.3. "Цифровые" стабилизаторы базовой линии ("Digital"Base-LineStabilizers -DBLS)

Глава 4. Вспомогательные устройства быстродействующих спектрометров: устройства таймирования (хронирования) спектрометрических импульсов, инспекторы наложений, корректоры просчетов

4.1. Устройства таймирования в спектрометрах энергии ионизирующих излучений

4.2. Инспекторы наложений

4.3. Корректоры просчетов ("живого" / "мертвого" времени)

Глава 5. Практические реализации спектрометров и их элементов

5.1. Начальный период становления тематики. Рентгеновские полупроводниковые спектрометры на основе формирователей импульсов на линиях задержки

5.2. Программно-управляемые спектрометры рентгеновского и у-излучений

5.3. Спектрометры рентгеновского и у-излучений на электронных комплектующих мировых производителей

5.4. Сравнение возможностей и перспектив аналоговых и цифровых спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующие спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений»

В настоящей диссертации представлены результаты многолетних работ автора по исследованиям, разработкам и серийному производству прецизионных спектрометров рентгеновского и гамма-излучений с полупроводниковыми детекторами. Разработанные спектрометрические комплексы аппаратуры ориентированы в первую очередь на применение в качестве основы многоэлементных энергодисперсионных рентгено-флуоресцентных анализаторов (Energy Dispertive X-Ray Fluorescence Analysis - EDXRFA) элементного состава веществ и материалов, одно- двухэлементных анализаторов - плотномеров {k-Edge, L-Edge Densitometry), а также установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis -NAA). При том, что автор занимался разработкой в Уральском государственном техническом университете1 (УГТУ-УПИ) спектрометров в целом и их электронными трактами в особенности, вопросы создания детектирующей среды (собственно полупроводниковые и сцинтил-ляционные кристаллы) не входили в сферу его научных и производственных интересов. Вопросами разработки и изготовления детекторов, в состав которых часто включают и преду-силитель, автору приходилось заниматься в основном в рамках разработки спектрометров в целом. Лишь в тех случаях, когда качество детектора оказывалось решающим в смысле достижения необходимых характеристик спектрометрической системы, автор напрямую принимал участие в их разработке.

Уже с середины 60-х годов как в ядерно-физических исследованиях, так и в промышленных приложениях ядерной физики (NAA, гамма-активационный анализ, EDXRFA и др.) ощущалась все обострявшаяся потребность в прецизионных спектрометрах ионизирующих излучений. В спектрометрии ионизирующих излучений, как и в других областях науки и техники, чей уровень существенно зависит от развития ядерной электроники, наблюдалось хроническое отставание отечественной спектрометрической техники от зарубежной. Особенно заметным это стало с появлением в мире транзисторов, цифровых и особенно аналоговых микросхем. Обусловлено это было общим отставанием в электронной элементной базе отечественной разработки и производства, что в свою очередь во многом было следствием монополизма в советской промышленности, ее изолированности в мире и излишней'секрет-ности до середины 50-х годов. Упомянутое отставание проявлялось в достигаемой точности спектрометров (энергетическое разрешение для спектрометров с полупроводниковыми детекторами, число уровней квантования аналого-цифровых преобразователей), быстродействии, стабильности характеристик, габаритах, надежности, функциональных возможностях. Примерное положение вещей в области спектрометрической электроники к началу 70-х годов отражает содержание табл. В1.

Таблица В1. Состояние разработок электропики спектрометров ионизирующих излучений к началу 70-х годов

Период Характерные черты, достижения в Мире в СССР в УГТУ-УПИ

До начала 60-х годов Вся аппаратура на лампах, спектр, усилители с простейшими l(CR)d,f +(RC)inJ — фильтрами; усилительные секции типа «двойка» и «тройка»; АЦП типа Wilkinson, fc = 10+20 MHz, N=6+8 bit Тематика отсутствовала

Первые монографии по ядерной электронике и Elmore W.C., Sands М. 1949 [1 ];А.В. Gillespie, 1953 [21; Chase R.L. 1961 ГЗ] и др. спектрометрическим усилителям A.A. Санин 1951 [4] и 1961 [5]; A.M. Бонч-Брусвич 1954 [6] и др.

Основы теории оптимальной фильтрации применительно к ядерной электронике (//. den Hartog, F.A. Miller 1947 [7]; Е. Baldinger, W. Franzen, 1956 [8]; E. Gattietal, 1960, [9]) • Теория баллистического дефицита в формирующих усилителях [Е. Baldinger, W. Franzen, 1956 [8]) • Первый общепризнанный стабилизатор базовой линии спектрометра (L.B. Robinson, 1961 Г101)

60-е годы Появление транзисторов; возрастание кратности интегрирования в спектр, усилителях (снижение CF); рост скорости и точности АЦП (fc = 25 +50 MHz, N= 8+10 bit) Тематика отсутствовала

• BLR Чейза-Паоло (R.L.Chase, L.R. Paulo 1967 [11]), иногда применяемый и поныне. • Первый процессор спектрометрических импульсов (К. Kandiah, 1967 [12]) • Инженерный способ расчета шумовых свойств спектрометра (М. Konrad, 1968 [13]) • Появление идеи адаптации времени формирования в усилителе к интервалам между спектрометрическими импульсами (М Berto-laccini et al, 1968 [14]) • Первый предусилитель с непрерывной оп-тосвязыо, достижение tjSi9 £ 200 eV (F.S. Goulding et al. 1969 fl5D

Начало 70-х годов Появление согласованных пар интегральных транзисторов и, как следствие, усилительные секции со структурой операционных усилителей, активные фильтры, появление в составе спектрометра режектора наложений; появление первых 100+200 MHz АЦП с N= 12 bit.

• Предусилитель с импульсной оптосвязью ц^ИПОеУ^.Б. СоиЫтх 1971 [16]) • Первый «безрезистивный» предусилитель с непрерывной стоковой связью, достижение Г]5,9¿200 еУ(Е. Е1а<1. 1972 [17]) • Появление наглядного способа расчета во временной области фильтрующих свойств время-инвариантных и время-вариантных формирователей спектрометрических импульсов (ЕБ. СоиШт^ 1972 [18]). • Появление в спектрометрических усилителях усилительных секций на гибридных (конец 60-х г.) и интегральных (начало 70-х г.) м/с. • Первая в СССР разработка спектрометра со стабилизатором нуля, режектором наложений и время-вариантным формирователем импульсов (В.Б. Иванов 1970 [19]). • Быстродействующие АЦП с кусочно-линейной шкалой (работы В.Г. Тишина в ОИЯИ, 1972 [20]) • Первые спектрометрические усилители, конкурирующие с усилителями ORTEC, СапЬегга и т.п. (работы В.Г. Субботина 1969 [21] и А.И. Калинина 1973 [22] в Дубне) • Быстродействующие сцинтил-ляционные у спектрометры с время-вариантным формированием сигналов. • Начало работ по прецизионным спектрометрическим формирователям на основе дифференциатора на линиях задержки.

Любой спектрометр ионизирующих излучений характеризуется целым набором параметров. Важнейшими из них, определяющими применимость к решению тех или иных задач,

1 В прошлом Уральский политехнический институт — УПИ. являются разрешающая способность, быстродействие и эффективность регистрации.

Все остальные (долговременная и температурная нестабильности, массово-габаритные показатели, энергопотребление и пр.) важны, но в большей степени определяются применяемой элементной базой и схемотехническими решениями, а не заложенными принципами реализации. В спектрометрии ионизи

N«I(Tl) ■ СзЦТьЬдетекторы

L»Br> - детектор

HpGe - детектор

Si-РШ i

5Э0 ¿B apa I» 1221 М «=»В Д- М71

ЛЦ1 ИНИН f

HilqiHfi ■Vi ow)

Si(Li) - детектор

0.1

1.0

10

100

1000

Е. кэВ

10000

-^ рующих излучений, как и в любой другой области техники, невозможно с помощью прибора одного типа перекрыть весь спектр подлежащих решению задач. На рис. В.1. показаны предпочтительные энергетические области применения спектрометров с различными детекторами рентгеновского и гамма-излучений, которыми в той или иной мере пришлось заниматься автору.

Области применения, показанные здесь, обусловливаются в первую очередь эффективностью регистрации и энергетическим разрешением.

Рис. В.1. Энергетические области применения раз- Роль электронного тракта спекработанных спектрометров с различными детекто- трометра с полупроводниковым де рами и структура "классического" спектрометра тетором в достижении предельного энергетического разрешения, определяемого "статистикой" преобразования энергии у-квантов в электрический заряд, иллюстрирует рис. В.2.

Те задачи, которыми автору с сотрудниками пришлось заниматься в течение многих лет, более, чем в 95-ти процентов случаев требовали создания спектрометров с максимально возможным быстродейст

Рис. В2. Влияние шума электроники вием при непременном условии достижения наилуч- на разрешение спектрометра с БЦЫ)шего разрешения во всем диапазоне интенсивностей детектором [15] измеряемых потоков рентгеновского и/или у-излучения. Причиной тому то, что во всех приложениях спектрометров (ЕОХЯРА, диагностика плазмы, МАЛ, рентгеновская денситомет-рия и др.) требовалась "хорошая статистика" отсчетов при минимальном времени экспозиции. В силу этого в диссертации было сочтено разумным не приводить обзор соответствующей литературы, и на его основе формулировать цели исследований и разработок. Многолетняя практика сама собой и самым объективным образом выявила направления и цели работ, составивших основу настоящей диссертации. Немаловажно, и то, что упомянутые работы выполнялись по контрактам с конкретными предприятиями и научными организациями, т.е. в этих работах была реальная необходимость.

Содержание табл. В2. позволяет понять роль каждого из элементов спектрометра в достижении (или деградации) основных метрологических характеристик — разрешающей способности и быстродействия.

Таблица В2.

Влияние функциональных устройств и узлов спектрометра на его основные метрологические характеристики

Устройства (узлы) Влияние на характеристики при малых загрузках Влияние на характеристики при высоких статистических загрузках

Блок детектирования (собственно детектор и за-рядочувстви-тельный пре-дусилитель) Задает предел разрешающей способности спектрометра ("ста-' гистика" преобразования энергии поглощенного кванта излучения; ток утечки детектора и затвора ,1РЕТ\ тип и механизм реализации восстановления; крутизна характеристики ЗґЕТш, качество материала детектора и ІЕЕТ - 'Чгарр'тц-ъффект" и и1/Г- шум.) Зарядочувствительные предусилители (ChÄ) с "непрерывными" o.e. дают возрастающий с ростом загрузки "параллельный" шум и уменьшающуюся постоянную спада импульсов на выходе, следствие - образование биполярных сигналов в PSI (возрастание на входе JFET тока, компенсирующего средний радиационный ток). С/гА с "импульсными" o.e. могут давать значительное дополнительное мертвое время (циклы восстановления заряда на емкости Cf)

Формирователь спектрометрических импульсов (PSh) Тип формирователя определяет степень приближения энергетического разрешения к преде-пу, задаваемому блоком детети-рования [СГ=1.01 +1.50; СРи/ =1.01 +1.61) Задает интервал наложений, т.е. теоретический ход проходной характеристики по загрузке — зависимость R„ = f(RJ Время-вариантные формирователи могут генерировать 'нестационарный", т.е. зависящий от интервалов времени между импульсами шум

Стабилизатор базовой линии Практически не влияет! Отвечает за сдвиг и уширение пиков в аппаратурном спектре с ростом загрузки (несовершенная блокировка емкости памяти на время действия спектрометрического импульса; "паралич"; нестационарный шум)

Инспектор наложений с устройством таймирова-ния импульсов В спектрометрах с время-зариантным формированием импульсов может ограничивать нижний предел измеряемых амплитуд (размытие момента переключения параметров) Влияет на асимметрию пиков в аппаратурном спектре. Отвечает за относительную интенсивность ложных пиков о кратными энергиями. Ответственней (вместе с PSh) за степень приближения микроскопического мертвого времени к величине интервала наложений

Аналого-цифровой преобразователь (A DC) Не влияет при условии, что дифференциальная нелинейность Вц/ £ 1%, коэффициент конверсии в л- диапазоне КЛ>0 > ІІЬі^саІе, а в у - диапазоне Кл^п> 12ЬМса1е Вносит дополнительное мертвое время непродлевающе-гося типа, если используется счетно-импульсный метод конверсии и частота кварца fd £100 MHz для х-спектрометров и fj<200 MHz для у - спектрометров

Интерфейс "PSI-f+PC" Не влияет! Может вносить дополнительное мертвое время при отсутствии буферной памяти

Корректор просчетов Не влияет! Может давать существенные ошибки в определении интенсивности излучения по входу спектрометра

Данные рис. В.З и В.4 придают наглядность сказаному, а рис. В.4, кроме того, позволяет конкретизировать широко употребляемый термин "быстродействие" применительно к спектрометрам рентгеновского и ^-излучений с полупроводниковыми детекторами. ф X

3 X X ф а 3 1

2 3 к а

X at

§1 г °

Ii т х п

Тіш и рабочее вещество детеггора

Тип предусилителя и характеристики головного каскада

Тип формирователя спектрометрических импульсов разрядность ADC

Разрешающая способность спектрометра: показатели - полная ширина аппаратурного пика на половине высоты (РЦИМ или Г|) и относительная ширина пика (Рцгнм/Е или Т|/Е)

SDD для Х-спектрометроа; CsJ(Tt), YAP, YAG, LaCls, LaBr,. кристаллы и фотодиоды для сцин-щ тилляционных у-спектрачетров

JFET с Сш=тіп и S=max, минимум элементов на входе, хе. "безрезистив-ная" О.О.С.

Согласованная" (matched) форма весовой функции WCt)

Число уровней квантования ADC не менее, чем S/ф/Етах)

Рис.В.З. Факторы, определяющие разрешающую способность спектрометров и возможные меры по ее улучшению: SDD - полупроводниковый дрейфовый детектор; JFET — полевой транзистор с р-п — переходом; S — крутизна характеристики JFET-, О.О.С. — отрицательная обратная связь; ADC - аналого-цифровой преобразователь

В особых комментариях содержание рис. В.З не нуждается. Стоит лишь еще раз упомянуть, что при низких статистических загрузках предельный уровень энергетического разрешения спектрометра с полупроводниковым детектором определяется свойствами материала детектора и головного полевого транзистора зарядочувствительного предусилителя. Структура и схемотехника электронного канала спектрометра ответственны лишь за степень приближения к этому предельному уровню. Аналогичным образом обстоит дело со сцинтилля-ционными у-спектрометрами, где вместо полевого транзистора предусилителя влияние на энергетическое разрешение оказывает фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Термин "быстродействие", часто используемый в литературе, применительно к спектрометрам ионизирующих излучений оказывается весьма неоднозначным. Для получения этой однозначности автором предложено различать "быстродействие по входу" и "быстродействие по выходу" спектрометра. Что понимается под этими терминами следует из рассмотрения рис. В.4. [23]. На том же рисунке еще раз схематично показано на какую сторону быстродействия оказывает влияние каждый из элементов спектрометра.

Рис. В.5. позволяет уточнить понятие "быстродействие по выходу". На графиках представлены передаточные функции по статистической загрузке R0=f(Ri), рассчитанные для спектрометров с двумя формирователями спектрометрических импульсов - квазигауссовым 4- го порядка (4 /fC-интегратора) и "треугольным", режектором наложений и быстрым A DC.

Рис. В.4. К вопросу о быстродействии спектрометров и факторах влияния. PC — персональный компьютер; ТУ— длительность импульсов по основанию; ADC — аналогоцифровой преобразователь

При рассчете принято, что оба формирователя настроены на максимум достижимого с ними

МО' 15-Ю 200

Ri,l/S

Рис. В.5. Зависимости R0—f (Ri) для спектрометров с быстрым ADC и формирователями квазигауссовых и "треугольных" импульсов. Tjr микроскопическое мертвое время спектрометра отношения сигнала к шуму, при этом оптимальное время достижения максимума гауссовым импульсом пусть составляет Треак =Ю

Совершенно очевидно, что в плане достижения максимальной разрешающей способности спектрометра от разработчика электронных трактов спектрометров в основном требуется только высокая техническая культура в этой области. Особенно в настоящее время, когда стали доступны практически любые материалы и комплектующие изделия.

Гораздо более глубокие знания и значительный личный опыт необходимо приложить, когда требуется обеспечить повышенное быстродействие спектрометра. Число степеней свободы у разработчика спектрометрической аппаратуры в этом случае весьма велико (по сравнению с задачей увеличения разрешающей способности) и очень важно правильно ими воспользоваться.

Цвлыо работ, составивших содержание настоящей диссертации, стали исследования и разработки принципов (в первую очередь) построения прецизионных полупроводниковых х- и у-спектрометров с повышенным быстродействием. а также разработка конкретных аппаратных реализаций этих принципов с освоением в производстве соответствующих приборов и спектрометрических систем.

Сцинтилляционные спектрометры, которыми автор также достаточно много занимался, не вошли в настоящую диссертацию, поскольку они, благодаря внутреннему усилению детектора (ФЭУ), оказываются существенно более простыми, хорошо изучены и особого научного интереса собой не представляют.

Актуальность темы исследований и разработок.

Спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений находят широкое применение как сами по себе для измерения характеристик полей излучения, так и в качестве основы многоэлементных энергодисперсионных рентгенофлуо-ресцентных анализаторов (Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Analysis - EDXRFA) элементного состава веществ и материалов, одно- двухэлементных анализаторов - плот-номеров (K-Eclge, L-Edge Densitometry), установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis - NAA) и др. В подавляющем числе применений спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучения, кроме малофоновых измерений, стоит проблема достижения максимального быстродействия, что связано с тем, что полезные события, как правило, составляют меньшую, а часто незначительную, часть общего потока регистрируемых полупроводниковым детектором ^-квантов. В то же время относительная статистическая неопределенность в выбранной области (пике) спектра где /I-число отсчетов в упомянутой области (пике). В силу этого всегда стремятся поднять интенсивность регистрируемого детектором излучения до величин чуть меньших, чем максимально допустимая статистическая загрузка по входу спектрометра Rimax■ При этом чрезвычайно важно при данной Ri max добиться максимума скорости накопления информации R0.

В полупроводниковой спектрометрии требования достижения высокой разрешающей способности и быстродействия находятся в прямом противоречии между собой. Единственный путь достижения успеха состоит в скрупулезном изучении тонкостей функционирования отдельных элементов спектрометра и их ансамблей, в тщательном учете их в процессе разработки, в поиске отличных от общепринятых подходов к способам обработки сигналов (pulse processing) и к архитектуре электронных каналов спектрометров, их ключевых узлов и устройств, а также в создании схемотехники, позволяющей за счет применяемых принципов функционирования нивелировать недостатки электронных комплектующих.

Научная новизна выполненных работ состоит в следующем:

1. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время-вариантными формирователями детекторных импульсов:

• определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с любыми способами обработки импульсов детекторов;

• сформулировано правило, позволяющее без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие в спектрометре дополнительного, зависящего от статистической загрузки, шума (Count-Rate Depended Noise - CRDN)\

• проведен сравнительный анализ наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариантных алгоритмов формирования детекторных импульсов;

• предложена методика измерения вклада CRD-шума спектрометра.

2. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов без изменения исходной формы функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения зависящего от статистической загрузки шума:

• показано, что NFAPS-способ применим к целому ряду известных в мире спектрометров с время-вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства;

• предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними по NFAPS-способу.

4. Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на фундаментальные свойства спектрометра; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в прецизионных спектрометрах у- и рентгеновского излучений:

• теоретически и экспериментально показано, что любой из классических (нелинейных и линейных время-вариантных) стабилизаторов является источником нестационарного шума;

• исследованы конкретные структуры стабилизаторов и предложены усовершенствования для получения предельных параметров, свойственных соответствующему классу;

5. Создан новый класс стабилизаторов - "цифровые" (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы {"Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить нестационарный шум и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение NFAPS- способа):

• разработана теория DBLS;

• показано, что "цифровые" стабилизаторы в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.

6. Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к спектрометрическим импульсам и проанализированы 6 способов таймирования, пригодных для применения в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и мягкого у-излучения.

7. Дан анализ известных способов инспекции наложенных событий с точки зрения применимости в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму.

8. Разработана методика математического анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:

• показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" G.P. Westphal.

• предложены технические меры для реализации на практике потенциальных возможностей корректоров; предложена методика быстрой настройки и проверки характеристик корректора;

• предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов.

9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов.

Практическая значимость результатов работ, составивших диссертацию, такова: 1. При самом активном участии, а с 1988 г. и под научным руководством автора в УГТУ-УПИ создан и постоянно востребован научно-производственный комплекс в виде НИЛ электроники рентгеновских приборов, способный в сжатые сроки (6 * 12 мес.) разрабатывать и осваивать в мелкосерийном производстве (50-г100 комплектов/год) как собственно спектрометры л:- и /-излучений на основе различных полупроводниковых {Si(Li), Si PIN, SDD,

ПрСе} и сцинтилляционных {У*Га1(Т1)+РкМ\, [ЬаВгЗ:Се+РкМ] и \Сэ1(Т1)+РИВю(1\} детекторов, так и различные аналитические приборы и системы на их основе.

2. Все без исключения разработки выполнялись и выполняются по контрактам и договорам с конкретными организациями и внедрены либо на производстве, либо в практике научных исследований. Среди Заказчиков наиболее крупными были, а многие ими и остаются: ЛНПО "Буревестник" (г. Ленинград), Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск: полтора десятка спектрометрических систем в системе САМАС), ОАО "Чепецкий механический завод" (г. Глазов: около двух десятков портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов "МАРФ-002"), ЗАО "Южполиметалл-холдинг" (г. Москва: свыше 350 портативных спектрометров для носимых рентгенофлуоресцентных анализаторов ПРИЗМА, ПРИЗМА-М, ПРИЗМА-РМ— для нужд ГТК РФ).

3. За'разработки и поставки спектрометров и рентгенофлуоресцентных анализаторов на предприятия Минатома и в ГТК РФ в 2003 г. автору в числе представителей других организаций-партнеров присуждена Премия Правительтва РФ в области науки и техники "За разработку, организацию производства и внедрение в практику ядерно-физических комплексов экспрессного многоэлементного анализа веществ и материалов".

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Игнатьев, Олег Валентинович

Общие выводы, касающиеся корректоров просчетов Все изложенное выше (с учетом материала гл. 2) можно кратко суммировать следующим образом:

1) При наличии выбора между корректорами "мертвого" ("живого") времени (Dead Time Corrector/Live Time Corrector — DTC/LTC) и системами счета без потерь (Losses Free Counting - LFC) следует отдавать предпочтение первым, т.к. они увеличивают статистическую точность измерений, a LFC напротив ее ухудшают.

2) Среди всех методов учета просчетов математически строгим и теоретически применимым при любом диапазоне статистических загрузок является метод виртуального генератора (VPG) G.P. Westphal.

3) Корректор Gedcke-Hale работает тем точнее, чем меньше доля пикового времени Тртк в ПОЛНОЙ длительности спектрометрических импульсов Т]у

4) Точность обоих корректоров (G.P. Westphal и Gedcke-Hale) зависит от свойств инспектора наложений и формирователя спектрометрических импульсов. Добавка мертвого времени Там к истинной длительности Тцг импульсов не может во всех случаях быть равной Треак, как это принято думать. Есть жесткое условие Tadj=TD-Тр-и и отсюда следует, что:

• если инспектор наложений допускает окончание предыдущего импульса перед самым максимумом последующего, то для корректора G.P. Westphal TadJ^O, а корректор Gedcke-Hale превращается в классический корректор с остановкой таймера на длительность 7V, при этом коррекция осуществляется идеально!

• если время-вариантный формирователь подразумевает защитное время Трг, то То =Тр.и и Tadd=0.

5) Характеристики обоих типов корректоров чрезвычайно чувствительны к точности измерения длительности по основанию спектрометрических импульсов Тцг и для реализации предельных характеристик требуются специальные схемотехнические решения, которые, как правило, отсутствуют в стандартных спектрометрических модулях.

Глава 5

Практические реализации спектрометров и их элементов

При написании настоящей главы не ставилась цель просто описать все разработанное и произведенное лабораторией за почти 40-летний период научно-практической деятельности автора. Главная задача последующего материала - проиллюстрировать на примерах конкретных устройств, приборов и систем воплощение в большей мере теоретического содержания предыдущих глав. Основное внимание уделено тем структурам, принципам и схемотехническим реализациям, которые либо не потеряли актуальности до настоящего времени, либо могут обрести новую жизнь на современной элементной базе.

5.1. Начальный период становления тематики. Рентгеновские полупроводниковые спектрометры на основе формирователей импульсов на линиях задержки

В самом начале своей научной карьеры, после более-менее детального ознакомления с состоянием мировых и отечественных разработок спектрометров с полупроводниковыми детекторами, автор пришел к неутешительному, но весьма важному выводу, имевшему значительные последствия. Он состоял в том, что при доступной элементной базе (биполярные и полевые транзисторы, реле, механические устройства коммутации и пассивные элементы, особенно многооборотные резисторы) и измерительной аппаратуре (осциллографы, генераторы, вольтметры, многоканальные анализаторы импульсов) не приходится даже мечтать о том, чтобы создать спектрометры, могущие составить хоть какую-то конкуренцию продук ции Ortec, Canberra, Tennelec и др., если придерживаться традиционных подходов построения аппаратуры (см. табл. В.1). Выход из положения виделся в том, чтобы пойти нестандартным путем.

Два момента определили последующий более, чем 10-летний период разработок, производства и внедрения быстродействующих спектрометров рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами. Во-первых, это время-вариантное формирование спектрометрических импульсов, способное увеличивать быстродействие как "по входу", так и "по выходу". И второе. Основу этих формирователей должны были составить устройства дифференцирования на линиях задержки, обеспечивающие квазипрямоугольную форму импульсов, что сильно облегчает построение высококачественных стабилизаторов базовой линии, простых и весьма эффективных инспекторов наложений.

Так случилось, что к началу разработок автором (1972 г.) DZ-формирователей мода на них за рубежом уже прошла. Последняя работа датирована 1973 г. [51], да и та носила сугубо расчетный характер, основанный на идеальности линий задержки. Причина отказа от массового применения ^/.-формирователей крылась в их крупных недостатках (речь идет о линиях с сосредоточенными параметрами, т.к. в //s-диапазоне времен кабельные непригодны из-за габаритов):

• Принципиальные сложности получения униполярного квазипрямоугольного импульса при экспоненциальной форме подлежащего дифференцированию сигнала.

• Значительные потери на активных сопротивлениях дросселей приводило к появлению на униполярных выходных импульсах скола вершины и хвоста с протяженностью, равной длительности формирования - увеличение вдвое длительности по основанию квазипрямоугольных импульсов.

• Сильная зависимость волнового сопротивления от частоты затрудняет точное согласование линии на концах.

• Трудность коммутации для получения ряда значений времен DL¡i¡f.

• Значительные габариты наиболее широкополосных линий с числом звеньев 20/jjs. Наиболее важны первые два недостатка - первое время из-за них создавались спектрометрические формирователи лишь с небольшим (1+2[is) временем дифференцирования для спектрометров с поверхностно-барьерным Si- детектором а- частиц и протонов [123].

Применение упомянутых дифференциаторов в спектрометрах с Si(Li)- и <7с(Х/)-детекто-рами, где оптимальное время дифференцирования составляет от 4-х до нескольких десятков микросекунд, стало возможным после изобретения узла дифференцирования со съемом токового сигнала на вход изодромного интегратора [68] и введения на входе линии корректирующей емкости Ссог. Устоявшаяся структура DL- дифференциатора [105,106,107] в составе аналогового процессора АР-002М39 показана на рис. 5.1 [107].

Особенность узла дифференцирования состоит в том, что благодаря изодромному интегратору (А5, С/ц, R¡z¡) устранены спад вершины и отрицательный выброс у квазипрямоугольного импульса40 на выходе узла DL- дифференциатора из-за малой постоянной времени спада входного экспоненциального импульса (тот = 2,4 fjs). Это позволяет размещать

39 Понятие Аналоговый прцессор имеет российское происхождение и относился к спектрометрическим модулям, осуществлявшим комплексную аналоговую обработку детекторных импульсов (усиление; стабилизацию базовой линии спектрометра; режекцию наложенных и перегружающих импульсов; амплитудный и временной отбор событий и т.п.). Отличительные черты АП: синхронное управление всеми функциональными узлами, минимум органов управления, минимизированные габариты и, как правило, более высокие метрологические характеристики за счет лучшего согласования между собой характеристик функциональных узлов. Анапого-циф-ровые преобразователи (ADQ в состав АП не входили. АП просуществовали около 15 лет (с конца 70-х по начало 90-х г.г.). Включение ABC в состав модуля сделало логичным называть такой компактный спектрометрический канал процессором спектрометрических импульсов (PSÍ). За рубежом с конца 60-х годов благодаря работам К. Kandiah et al укоренился термин Pulse Processor (знаменитые Харуэльские импульсные процессоры, включавшие в себя и блоки детектирования с оптоэлетронным укорачиванием каждого импульса).

40 Изодромный интегратор на операционном усилителе выполняет функцию прямо противоположную функции схемы укорачивания с "компенсацией полюса нулем" - он увеличивает в заданное число раз

С ы И *> 2-Ю5) постоянную времени экспоненциальных импульсов (теоретически до бесконечности, т.е. 2 р может преобразовать экспоненту в ступень напряжения).

1>.£,-дифференциатор в любом месте спектрометрического усилителя, например, после всех усилительных секций, предварительно укоротив экспоненциальный импульс с выхода пре-дусилителя для избежания перегрузки от динамического смещения.

Устранение "шлейфа" за импульсом из-за потерь в линиях задержки достигается тем, что в течение времени Тд/ = 2Т01 происходит дифференцирование с постоянной времени Ъог — 2рСсог, компенсирующее "шлейф" (р - волновое сопротивление линии задержки). Соответствующие эпюры содержатся в [53] (см. также эпюру УЗ на рис. 5.2). Указанные меры сделали возможным применение серийных, не слишком качественных, линий типа

Рис. 5.1. Аналоговый процессор АР-002М: PZC- укорачивающая RC- цепь с "компенсацией полюса нулем"; Lim- двусторонний ограничитель (Limiter); DL- линия задержки; "Inhibition"- вход запрета от предуенлт сля с импульсной связью; Izodromic Integrator - изодромный интегратор; Threshold— порог дискриминатора; TVBLS - время-вариантный стабилизатор базовой линии; LE-Discriminator- дискриминатор с постоянным порогом; Gated Integrator- стробирусмым "идеальный" интегратор; Controller-устройство управления; LED- блок светодподов индикации режимов работы; "Anti

Coincвход антисовпадений ЛЗТ-1,0-600-20 и ЛЗТ-2,0-600-20.

В поведение исходного формирователя существенные особенности вносят стабилизаторы базовой линии (BLS). Как отмечалось выше, прямоугольная форма спектрометрических импульсов на его входе является оптимальной для достижения предельного быстродействия комбинации формирователя и стабилизатора. В данном случае применен линейный время-вариантный стабилизатор охватывающего типа (Wraparound TVBLS) со схемой подавления "паралича". Его структура и функционирование аналогичны TVBLS, описанному в гл.З (см. рис. 3.13). Единственное отличие состоит в том, что между линейным пропускателем на А4 "антипараличевой" схемы и входом стабилизируемой усилительной секции на Аб размещен узел дифференцирования на DL2+DL7 и изо-дромном интеграторе (As).

Прямоугольный спектрометрический импульс с выхода TVBLS интегрируется строби-руемым "идеальным" (по структуре) интегратором на базе нормально открытого LG (A¡¡) и собственно интегратора (А 9) с усилительной секцией А ю, уменьшающей эффективное сопротивление электронного ключа (5>f) на стадии восстановления интегратора. Трапециевидная форма импульса оптимальна не только для фильтрации шумов, но и для устранения влияния флуктуации времени собирания заряда в Ge(Li)- и HpGe-детекторах ^спектрометров.

Реальное значение ССА^Р-фактора для этого формирователя по одиночным сигналам с учетом влияния TVBLS и потерь в линиях задержки (рис. 5.2) CF=1,10.

Съем сигнала временной привязки непосредственно с выхода TVBLS обеспечили оптимальные условия для работы ре-жекгора наложений. Определение наложений проводится путем прямого сравнения в логическом узле процессора длительностей квазипрямоугольного спектрометрического и эталонного импульсов (рис. 5.2). Минимальный энергетический порог ре-жекгора наложений составляет 500 eVnpa энергетическом разрешении rjsjkev^ 200 eV. Традиционный "быстрый" канал для выделения наложения из-за короткого дифференцирования (50-i-100ns) характеризуется порогом свыше 2 АгеКпри том же разрешающем времени (250+500ns) [49].

Запрет регистрации наложенных сигналов осуществляется, как и в [79,105], через "идеальный" интегратор (Аз+Аю) и выходной линейный пропускатель (А 13). Ограниченность во времени и сравнительно малая длительность спектрометрического импульса процессора обусловили высокий коэффициент передачи по загрузке (рис. 5.3).

Процессорный подход к аналоговой обработке спектрометрических импульсов позво лил наряду с решением проблем эффективной стабилизации исходного уровня и режекции

Etalon pulses л i V5 1 /'Л у/ . / V .

Linear Í| output I] jíl 1 к !/ V

Рис. 5.2. Временные диаграммы работы аналогового процессора АР-002М наложений функционально совместить "идеальный" интегратор со стретчером и экспандером (A9+Ajo) без привнесения в тракт дополнительной нелинейности. В те годы экспандер был необходим для того, чтобы в высокоразрешающих полупроводниковых спектрометрах можно было применять доступные во всех отношениях анализаторы импульсов АИ-128 и АИ-256 вместо дорогостоящего и громоздкого АИ-4096. Экспандер может использоваться как дифференциальный дискриминатор.

Важной характеристикой электронных трактов спектрометров с Се-детекторами является устойчивость к амплитудным перегрузкам. В рассматриваемом аналоговом процессоре применено специальное устройство режекции перегружающих импульсов (LG на A4 и Dual comparator) [85]. Оно отсекает уплощенную часть предварительно

Рис. 5.3. Основные характеристики спектрометра укороченных на входе А2 сигналов, с Si(Li)- детектором и аналоговым процессором восстанавливает тем самым перво-АР-002 начальную их экспоненциальную форму и выдает импульс запрета на Controller, по которому блокируются линейные ворота на выходе PSI (Aïs). Для /000-кратной амплитудной перегрузки мертвое время находится по формуле:

Тот„ш= 20fis +rsh (5.1)

В случае, если в зарядочувствительном предусилителе (ÇhA) используется импульсная обратная связь, то на время восстановления предусилителя можно блокировать процессор и по синхроимпульсу CltA. Отметим, что режектор перегружающих сигналов позволяет с точностью до 0,01% подстраивать схему укорачивания с "компенсацией полюса нулем" (PZC на рис. 5.1) путем подачи через предусилитель перегружающего импульса генератора. Подобный принцип режекции перегружающих импульсов применим и в усилителях с гауссовым формированием спектрометрических импульсов.

IM*. I /fv £

•с;

•¿s в £

300

250

200 10

0,2

7U=6u.v

NLBLS, 6щ i 1 ,i,,„* î I (Il mi"

Il il 111. to"

1QU n. W Ri. 1/s ^ 0

-0,2 W

T Tti-SiiK -Tj-i

1 NLBLS, 6\is .i I i 11111 Ь-ы \ 1 .1 M Ittl î ! i III!!!'

100

M // 10

Rt, 1/s y.

12 ъ: о S

-s:

-12 S

5 ft.

§ o*

If

10

1 T II ГШ ideal /Â ^ sJCiîïêli* ! ! ,1 1111! \ W 1,(1,1!, 1 1 M 1 Ht ,,, î 1, ! i MU I 1 ! (MM

10 пr

10"

10*

R i, 1/s ч

Все усилительные секции и линейные пропускатели АР-002М были реализованы на основе структур Милларда-Блэлока с использованием на входах микросхем 159НТВ и транзисторов КПЗОЗГ (в А5) и унифицированы. К великому сожалению в то время отсутствовали интегральные операционные усилители достаточного быстродействия.

Для удобства эксплуатации в логическом устройстве введены светодиодные индикаторы наличия запуска ¿¿¿-дискриминатора, срабатывания режектора перегружающих импульсов, наличия импульсов на линейном выходе и правильности установки длительности эталонного импульса режектора наложений. Указанные меры с учетом небольшого числа органов управления синхронно изменяемыми параметрами (по сравнению с электронными трактами, состоящими из отдельных независимых модулей) обеспечивали удобства в работе с аналоговым процессором.

Описанная структура аналогового процессора оказалась достаточно удачной. На ее основе были созданы и внедрены в практику научных исследований еще два поколения — АР-003 и АР-004. Основные их отличия в схемных реализациях элементов структуры в связи с появлением интегральных операционных усилителей 544УД2А, применявшихся либо самостоятельно, либо в составе секций с т.н. параллельным каналом [44,124].

Спектрометры на основе БЦЫ)- и Ое(Ы)-}\с гекторов с зарядочувствительными пре-дусилителями как с резистивной, так и с импульсной стоковой связью, спектрометрических усилителей с формирователями на основе 2Х£-дифференциаторов и аналоговых процессоров АР-002 + АР-004 были внедрены в ряде организаций, среди которых: опытный завод ГИРЕДМЕТа. (г. В. Пышма Свердл. обл.); НПО "Буревестник" (г. Ленинград), где были освоены в мелкосерийном производстве спектрометры с АР-002; ИАЭ им. И.В. Курчатова (г. Москва); ВНИИ радиационной техники'41 (г. Москва); ИЯФ42 СО АН (г. Новосибирск).

Создание и внедрение в практику научных исследований спектрометров на основе предусилителей с импульсной стоковой связью и аналоговых процессоров АР-002 +АР-004 вывели лабораторию на мировой уровень метрологических характеристик, а по быстродействию и эффективности режекции наложений было достигнуто значительное превосходство.

Структура АР-002+АР-004 и многие схемные реализации ее элементов оказались востребованными, когда возникла задача разработки и мелкосерийнрго выпуска пол

41 Ныне ВНИИ технической физики и автоматизации

42 Ныне ИЯФ СО РАН им. академика Г.И. Будкера. ностью программно-управляемых спектрометров в стандарте САМАС.

5.2. Программно-управляемые спектрометры рентгеновского и у-излучений В 1986 г. по заказу института ядерной физики СО АН началась программа оснащения источника синхротронного излучения ИЯФа автоматизированными спектрометрами с Si(Li)-детекторами. За 4 года были разработаны, изготовлены и внедрены в ИЯФ 10 комплектов спектрометров, содержащих зарядочувствительпые предусилители с импульсным механизмом восстановления интегрального типа через сток JFET[34, 36] (см. рис. 1.7); аналоговые процессоры АР-005 [36] и АР-006; дифференциальные дискриминаторы DD-00143 [36]; преобразователи "амплитуда—» время" PAV-001 [125] и PAV-002; преобразователь "время —> код" PVK-001 [126]; преобразователь "амплитуда —код" РАК-001; генератор статистических сигналов GSS-005*4.

Создание спектрометров с Л'^/^-детекторами для применения на таком мощном источнике излучения как синхротрон потребовало принять все возможные меры для увеличения быстродействия как "по входу", так и "по выходу" спектрометров, а то, что упомянутый синхротрон принадлежал ИЯФу - институту с уникальным уровнем автоматизации всех установок и экспериментальных каналов, потребовало сделать все, чтобы исключить ручное управление параметрами спектрометров. Решение обеих задач способствовало значительному прогрессу в схемотехническом и "идеологическом" плане.

Предусилитель с импульсной компенсацией накопленного заряда на С/ был последовательно модернизирован45 вначале для достижения максимальной загрузки по входу R¡max ¿5-1051/s по линии Ex=5,9keV [108], а затем до R¡mvc¿l06l/s [127]. Если ранее при R¿=l(fl/s по Ex=5,9keV мертвое время (DT), вносимое предусилителем составляло 30% от текущего времени (CT), то после увеличения размаха напряжения на выходе зарядочувствительной секции до 4V, а затем и до 10V и организации компенсации медленной составляющей переходного процесса (см. рис. 5.4) удалось уменьшить защитное время (Protection time) до Трг = 200fis. При тех же условиях достигнуто снижение мертвого'времени до DT&0,07 СТ.

Идеология программно-управляемых аналоговых процессоров АР-005 и АР-006 в целом идентична идеологии АР-002 (рис. 5.1). Основные отличия состояли в следующем: • Разработанные быстродействующий счетно-импульсный ADC с числом уровней квантования N=512+16384 (PA V-001+PVK-001), а также ADC "поразрядного взвешивания"

43 Эти модули были разработаны по заказу института аналитического приборостроения АН (г. Ленинград) и поставлялись для укомплектования автоматизированных мессбауэровских спектрометров.

44 Генератор был разработан для настройки АР-005, DD-001, Р. i V-001, PVK-001, РАК-001 и других модулей. Заказчикам не поставлялся.

45 Основной объем работ по модернизации предусилителя выполнен А.И. Косее.

РАК-001 с N—512+4096 сделали экспандер в составе аналогового процессора ненужным.

TWet

180 m m ПО в.г о,ч е.»

Protection tiss&jde

Рис. 5.4. СІїА Ри-003 и влияние защитного времени на энергетическое разрешение спектрометра с ¿"/(Х^-детектором. Измерения проводились по линии генератора, срабатывающего по окопчаннн Трг.

Для исключения процедуры ручной компенсации возможного смещения нуля на выходе предусилителя (регулировка "Base-line shift compensation" на входе процессора) в состав линейного усилителя был введен компенсационный стабилизатор базовой линии, рассчитанный на работу с экспоненциальными импульсами [86] (см. рис. 3.15). Для исключения операции ручной настройки порога срабатывания £/?-дискриминато-ра (регулировка "Threshold'' на рис.5.1) в состав PSI было введено устройство автоматической установки порога [99], которое действует по принципу фазовой стабилизации частоты, сравнивая частоту внутреннего генератора (обычно 10+25 Hz) со средней частотой срабатываний специального компаратора шумовых импульсов с полярностью противоположной полярности сигналов. Пороговое напряжение на это г компаратор поступает от схемы сравнения частот. Благодаря наличию ряда блокировок (на время действия спектрометрического импульса, на время переходного процесса в предусилителе, на время действия сигналов противоположной полярности) и большому усилению по петле регулирования порог ЬЕ- дискриминатора с высокой точностью соответствует заданному if noise — 10+25 Hz) во всем диапазоне амплитуд импульсов и статистических загрузок. • Определенные трудности возникли при организации цифровой регулировки коэффициента преобразования "ГРУБО" и "ПЛАВНО". Последнее заслуживает обсуждения. Спектрометрическая аппаратура в стандарте САМАС изначально проектировалась как универсальная, т.е. могущая быть использованной с множеством блоков детектирования. Это подразумевает широкие пределы регулирования коэффициента преобразования, что в свою очередь потребовало решения двух проблем:

1. Выбор и реализация оптимального способа регулирования усиления. В идеальном случае такой способ должен обеспечивать независимость от установленного усиления приведенного ко входу шума, времени нарастания переходной характеристики, диапазона амплитуд на выходе, времени распространения сигнала.

2. Разработка базовой усилительной секции с низким уровнем приведенного ко входу шума, малым временем нарастания, одноплюсной передаточной функцией и малыми напряжением смещения и его температурным дрейфом.

Известны три основных способа регулирования усиления в спектрометрических устройствах. Свойства спектрометрических усилит елей с соответствующими регулировками отражены в табл. 5.1. [44,124]

Заключение

В процессе выполнения работ, составивших содержание настоящей диссертации достигнуты следующие научные и практические результаты:

1. Систематизирован и обобщен в компактной и доступной форме обширный, но рассеяный по множеству публикаций материал, касающийся зарядочувствительных предусилителей (<ChA) для полупроводниковых детекторов рентгеновского и ^излучения. Показано, что потенциально высокая разрешающая способность этих детекторов наилучшим образом реализуется с применением "безрезистивных" ChA с тем или иным механизмом импульсного (интегрального или дискретного) восстановления исходного заряда на емкости обратной связи С/. Эти же предусилители в наименьшей мере ограничивают быстродействие спектрометра. Технически наиболее оптимальны ChA с импульсным стоковым восстановлением разрядной серией и те, где вместо обычного полевого транзистора (JFET) на входе примняется Penta-FET- полевой транзистор со встроенным инжектором компенсирующего тока.

2. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время-вариантными формирователями спектрометрических импульсов:

• введено дифференцированное определение понятия быстродействия спектрометра, отражающее устойчивость к повышенной загрузке (искажения аппаратурного спектра из-за сдвига и уширсния пиков аппаратурного спектра - быстродействие "по входу") и предельную скорость накопления спектра (быстродействие "по выходу"), а также показано влияние отдельных устройств на обе составляющие быстродействия;

• определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с разнообразными способами обработки импульсов детекторов;

• сформулировано правило, позволяющее на стадии проектирования без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие зависимости уровня шума в спектрометре от статистической загрузки (Count-Rate Depended Noise - CRDN);

• проведен сравнительный анализ известных и наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариантных алгоритмов формирования спектрометрических импульсов; показано, что трансформация квазигауссовой формы функции памяти спектрометра в квазитреугольную синтезом её из квазигауссианов 2+6 порядка качественно не улучшает свойства спектрометра;

• предложена методика измерения вкладов различных источников шума в разрешение спектрометра при наличии нестационарного шума.

3. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов без изменения исходной формы функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения вызванного статистической загрузкой (нестационарного) шума:

• показано, что NFAPS-способ применим к ряду известных в мире спектрометров с время-вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства; •разработан, испытан и готовится к производству быстродействующий рентгеновский спектрометр с время-вариантным формированием импульсов, использующий NFAPS-способ;

• предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними по NFAPS-способу.

4. Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии (BLS) спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на свойства спектрометра при повышенных статистических загрузках; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в быстродействующих прецизионных спектрометрах у- и рентгеновского излучений:

• теоретически и экспериментально показано, что любой из классических BLS является источником нестационарного шума;

• исследованы конкретные структуры BLS и предложены усовершенствования для получения предельных параметров.

5. Изобретен новый класс стабилизаторов базовой линии спектрометров - т.н. "цифровые" (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы {"Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить CRDN и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение TVFAP.S'-cnocoôa):

• разработана теория;

• разработаны конкретные стабилизаторы, применяемые во всех разрабатываемых и выпускаемых спектрометрах в течение многих лет;

• показано, что "цифровые" стабилизаторы (DBLS) в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.

6. Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к спектрометрическим импульсам и проанализированы 6 методов таймирования, потенциально пригодных для применения в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и мягкого /-излучения.

7. Разработано, запатентовано и успешно применяется устройство таймирования с компенсацией сдвига временной отметки от изменения амплитуды и формы импульсов в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму; дан анализ способов инспекции наложенных событии с точки зрения применимости в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и у-излучения.

8. Разработаны методики математического и экспериментального анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:

• впервые показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" О.Р. \Vestplial.

• предложены и реализованы в серийной продукции технические меры, помогающие на практике реализовать потенциальные возможности корректоров; предложена меюдика быстрой настройки и проверки характеристик;

• предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов, пригодные для спектрометров как с аналоговой, так и с цифровой обработкой сигналов детекторов.

9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов. Выяснено, что в задачах с быстроизменяющейся интенсивностью излучения цифровые спектрометры приоритетны - они могут позволить уменьшить дисперсию числа отсчетов.

10. Предложены и реализованы в серийной продукции оригинальные схемотехнические решения ряда ключевых узлов и устройств прецизионных спектрометров.