DP5
1. 引言
DP5 是一款高性能数字脉冲处理器。DP5 是完整核光谱系统的一个组件,该系统还包括:
- 探测器和前置放大器;
- 电源。
通过将 DP5 与 Amptek 探测器之一、前置放大器(可以使用多种选项和配置)和 Amptek PC5 电源组合,即可组装成一个完整的系统。用户还可以提供自己的探测器、前置放大器和/或电源。DP5 设计用于高分辨率固态探测器,但也可以与闪烁体/PMT 系统、比例计数器和其他探测器一起使用。DP5 是一块带有电子元件的印刷电路板,主要适用于作为完整系统的一部分的 OEM 应用。
DP5 是第二代数字脉冲处理器 (DPP),可取代模拟系统中使用的放大器整形器和多通道分析仪。数字技术改进了几个关键参数:1) 更高的性能,特别是更高的分辨率和更高的计数率;2) 由于使用软件选择了大量可能的设置,因此系统灵活性显著;3) 提高了稳定性和可重复性。DPP 将前置放大器的输出信号数字化,实时应用数字信号处理,检测振幅峰值并将其放置在直方图存储器中。然后将频谱传输到用户的计算机。
在标准配置中,只需要三个连接:电源(+5 VDC)、通信(USB、RS232 或以太网)和前置放大器的模拟输入。辅助连接器提供将 DP5 与其他设备集成时使用的几个额外输入和输出。这包括 MCA 网关、定时输出和八个 SCA 输出。DP5 还包括一个“互连”,主要用于与 Amptek 电源板接口,但可供 OEM 使用。DP5 配备用于数据采集和检测器设置控制的 ADMCA 软件,以及用于将硬件与客户软件集成的 DLL 库。可选的附加硬件包括 X 射线光谱分析软件、多个准直器和安装硬件以及 X 射线管,以创建完整的紧凑型 X 射线荧光分析系统。
图 1-1. DP5(左)的照片和用 XR-100SDD 探测器获得的 55Fe 特征光谱。
2. DP5 描述
完整、标准的核谱系统包括几个关键组件:
- 探测器
- 前置放大器
- 脉冲转换板(包含脉冲整形器、脉冲选择电路、脉冲计数器、多通道分析仪、数据采集与控制接口)
- 电源
- 包装或箱子
- 用于设置探测器、收集和分析接收数据的软件。
DP5 是一款数字脉冲处理器,可实现 (3) 中描述的功能,是完整光谱系统的一个组件。DP5 的设计旨在提供最大的多功能性,并可适用于各种系统。DP5 设计为单个小型电路板,是与 OEM 解决方案集成的最合适解决方案。本文提供了 DP5 电路板的详细规格和应用示例。
2.1 主要模块功能
图 2.1 显示了数字脉冲处理器 (DPP) 如何在核仪器系统的完整链及其主要功能块中处理信号。DPP 将前置放大器的输出信号数字化,实时对信号进行数字处理,确定最大振幅(数字形式)并将其放置在内存缓冲区中,从而创建能量谱。脉冲选择电路可以使用各种标准从频谱中排除脉冲。然后,频谱通过 DPP 接口传输到用户的计算机。
Dpp 将前置放大器输出数字化,实时执行数字信号处理,检测峰值幅度并将其存储在内存缓冲区中,该幅度可根据所使用的标准通过电子设备拒绝。
模拟前置放大器(预滤波器):Dpp 输入是模拟电荷敏感前置放大器的输出。模拟预滤波器芯片为数字处理准备信号。该电路的主要功能是 (1) 应用适当的增益和混频以在适当的 ADC 范围内“命中”信号 (2) 过滤信号并对其进行整形以优化数字化。
ADC : 12 位ADC将模拟前置放大器的输出数字化,频率范围为 20 – 80 MHz。数字化值流实时传输到数字脉冲整形器(数字脉冲整形)。
数字脉冲整形:ADC 输出使用流水线架构连续处理,以方便后续实时处理的形式生成脉冲。脉冲整形是标准的,类似于任何其他放大器整形器。整形后的脉冲是纯数字单元。输出可以重定向到 DAC,用于诊断目的,但这不是强制性要求。
脉冲整形器内部有两个用于信号处理的组件 - 即快速通道和慢速通道,它们针对处理电流脉冲链的各种信息进行了优化。
慢通道具有较长的脉冲形成时间,这对于获得准确的脉冲幅度是必要的。慢通道中每个脉冲的峰高值是脉冲形成器的输出信号值。
快速通道针对获取时间信息进行了优化,即用于检测慢通道中重叠的脉冲、测量计数率、脉冲上升时间等。
脉冲选择逻辑:消除无法准确测量的脉冲。包括堆积拒绝逻辑、时间鉴别等。
2.2 模拟前置放大器
Dp5 旨在处理来自固态辐射探测器所用电荷灵敏前置放大器的信号。这些信号 (1) 幅度较小,在几 mV 范围内 (2) 上升时间较快 (10 ns (或 µs)) (3) 且幅度较小。这些信号 (阶跃) 可以在图 2.2 的上部看到。这些信号幅度较小,不适合数字化。模拟前置放大器准备这些信号以进行进一步数字化 (蓝色曲线)。
模拟放大器执行以下功能:(1) 时间常数为 3.2 µs 的高通滤波器,使脉冲不再重叠;(2) 放大信号,使最大脉冲的幅度约为 1 V;(3) 移位信号,使其落入 ADC 的范围内。模拟放大器的输出在图中以蓝线表示。
默认情况下,模拟放大器配置为与 Amptek 的 XR100CR 系列探测器(带有可复位前置放大器的固态探测器)一起使用。
系统增益
系统增益以通道/keV 为单位测量:这给出了特定能量峰值将出现的通道数。它是三项的乘积:(1)电荷传感放大器的增益(单位为 mV/keV),(2)电压放大器的总增益(这是粗增益和细增益的乘积),(3)MCA 分析仪的增益(每 mV 的通道数)。
对于 Amptek 的 XR100CR 探测器,增益通常为 1 mV/keV。分析仪的 MCA 增益由所选通道数(例如 1024)除以峰值所在通道对应的电压得出。在 Amptek 数字处理器中,此值通常为 950 mV。DP5 增益是粗增益和细增益的乘积。例如,如果细增益为 1.00,粗增益为 66.3,则系统增益为 (1 mV/keV)(66.3)(1.00)(1024 通道 / 950 mV) = 71.5 通道/keV。1/71.5 通道/keV = 14 eV/通道是 MCA 校准因子。满量程能量将为 1024 通道 / 71.5 通道/keV = 14.3 keV。然而,由于反馈电容器、电阻器等的制造公差,这些值只是近似值(误差高达百分之几)。
复位和连续前置放大器
电荷感应放大器产生与电流的时间积分成比例的电压。由于流过二极管的电流不断增加,积分器最终会饱和。有两种方法可以将前置放大器输出保持在所需范围内:复位和连续反馈。图 2-4(左)显示了长时间内复位前置放大器的输出:许多小步骤(几 mV)迫使输出信号在几秒钟内线性接近负限值(- 5 V)。然后触发复位脉冲,以便在几 µs 的时间内将输出信号设置为 + 5 V。复位放大器提供最小的电子噪声,因此可用于探测器。复位期间的非常大的转换会影响信号处理,因此 DPP 包含旨在消除不良影响的“锁定”逻辑。
另一种传统的解决方案是创建一个小的反馈回路,将输入信号恢复到接近地的值。在最简单的情况下,反馈电阻 Rf 与反馈电容 Cf 并联,电流在反馈电容 Cf 上积分。由于相互作用的信号,电压阶跃 ΔV 之后,输出信号逐渐漂移到初始值,反馈时间常数为 2-4 右侧所示。在图中,该时间常数相当于 500 µs,这允许准确计算(积分)总电荷,但会导致脉冲堆积。反馈电阻会增加电子噪声,因此 amptek 探测器不使用此电路。
2.3 脉冲整形。
通道缓慢。
慢速 DPP 通道针对精确的峰高计数进行了优化。它使用梯形脉冲整形,其示例如图 2-5 所示。此脉冲形状可为许多检测器提供最佳信噪比。
用户可以调整上升或下降时间(这些时间必须相同)以及平顶持续时间,调整幅度多为一步。脉冲整形时间为 τ 的半高斯放大器的峰值上升时间为 2.2 τ,性能可与峰值上升时间相同的梯形脉冲相媲美。峰值上升时间为 2.4 μs 的 DPP 相当于时间常数为 1 μs 的半高斯整形器。
调整峰值上升时间是优化系统配置的一个非常重要的组成部分。通常,存在一个权衡:峰值上升时间越短,死区时间越小,这会增加吞吐量和计数率,但随着峰值上升时间的增加,系统的电子噪声也会增加。最佳设置严格取决于探测器和放大器的类型以及设定的目标。电噪声在峰值上升时间的某个值处最小。在峰值上升时间大于或小于此值时,噪声值会增加,这会降低分辨率。
如果峰值上升时间与输入的采样率相比非常长,就会发生堆积。
快速通道
快速通道用于检测在慢速通道中相互重叠的脉冲。快速通道用于拒绝在慢速通道中太近而无法区分的脉冲,并确定真实计数率(对在慢速通道的死区内丢失的事件进行校正)。快速通道也使用梯形脉冲整形,但是,在这种情况下峰值的上升时间在 100-400 纳秒范围内。图 2-6 显示了快速通道的基本操作,脉冲的测量峰值上升时间为 100 纳秒。如右图所示,在快速通道中,时间上仅彼此滞后 120 纳秒的脉冲被单独计数。
基线恢复(基线脉冲重建)
脉冲的振幅是相对于基线隐式计算的。基线的任何随机波动或任何系统性变化都会扭曲振幅测量。基线通常被称为“地”,但这有点含糊,因为地只是电压测量的一些参考。如果此基线随时间、计数率或其他任何因素而变化,这些失真就会在测量中显现出来。
数字处理器的基线峰值与传统的模拟整形放大器有显著差异。这是因为通过链后的脉冲不会对沿链的其他脉冲产生影响(我是这样理解的!!!)。这是与模拟微分器的根本区别,可显著提高高计数率下基线的稳定性。
Dpp 具有不对称基线,有几种不同的设置。DPP BLR 使用来自随机噪声的负峰值来确定基线。负峰值仅在没有信号时出现,因此如果它们是稳定的,则无论计数率如何,基线都是稳定的。BLR 通常产生与 RMS 噪声值相当的偏移。有两个独立的参数 UP 和 DOWN,每个参数都可以设置为四个位置:非常慢、慢、中和快。这些本质上是基线响应中的斜率。将 UP 和 DOWN 都设置为非常快将导致 BLR 对基线的任何变化做出非常快速的响应。应该强调的是,最佳设置严格取决于实际应用的细节:波动的性质等。如果发现峰值在高计数率下向较低的通道偏移,则增加 UP 斜率或降低 DOWN 斜率。如果观察到系统中偶尔出现的“爆发”,导致频谱转移到更高的信道(通常表现为高于阈值的噪声爆发),则应降低 UP 减速率或增加 DOWN 斜率。
2.3.2 选择脉冲。
Dpp 使用阈值来检测脉冲。两个通道(快速和慢速)都有自己的阈值。噪声在快速通道中通常较高,而快速通道的最佳选择是将阈值设置为略高于噪声。慢速通道的阈值用于确定哪些事件将添加到频谱中。幅度小于慢速阈值的事件将被忽略。慢速通道的阈值相当于低级鉴别器 (LLD)。
快通道阈值还可用作低电平鉴别器,用于实现以下效果:(1)在快通道中测量的事件率是进入计数率 (ICR) 检测器测量的进入流量。(2)堆积排斥 (PUR) 是区分在慢通道中重叠但在快通道中不同的事件的逻辑。(3)上升时间鉴别 (RTD) 使用在快通道中接收到的信号的幅度来测量脉冲开始时的电流。下面将更详细地讨论 PUR 和 RTD。
正确设置这些阈值对于获得正确和最准确的信息非常重要。错误的阈值设置会给用户带来许多问题。例如,如果快速通道中的阈值太小并且启用了 PUR 功能,则每个事件都将被拒绝,因此不会收到任何信号。同样,如果慢速通道的阈值很大,所有事件都将被拒绝。
脉冲上升抑制
此逻辑用于检测时间上非常接近的两个相互作用,以至于输出合并为具有失真幅度的单个事件。PUR 使用“快-慢”系统。图 2.7 显示了 DP4 对时间接近的脉冲(事件)的操作。
在图 (a) 中,两个事件之间的间隔小于峰值上升时间,而图 (b) 则显示了完全不同的情况,其中脉冲被很好地解析,因此它们发生之间的时间要长得多。在情况 (a) 中,输出信号是两个脉冲的总和。但是,模拟输出 (a) 处的信号是解析的。对于近三角脉冲形状,只有当两个事件的解析时间小于峰值时间时才会发生重叠。Dpp 中用于根据标准 1 – 死区时间和 2 – PUR 拒绝事件的间隔是上升时间和平顶持续时间的总和。如果启用 PUR 并且两个事件之间的间隔大于快速通道双脉冲解析时间 (120 纳秒) 并且小于此间隔,则两者都将被拒绝。如果启用堆积拒绝并且两个事件之间的间隔大于快速通道脉冲对解析时间 (120 纳秒) 并且小于此间隔,则两者都将被拒绝。超过快速通道阈值的事件会触发堆积拒绝逻辑。
重置锁定。(重置后锁定)
如前所述,许多前置放大器使用脉冲复位来防止前置放大器输出饱和。复位会在 Dpp 中产生非常长的信号,从而导致放大器饱和、寄存器溢出等。因此,Dpp 具有复位检测电路(可检测非常大的负脉冲)和逻辑,用于在复位后阻止一段时间的信号处理,这段时间用于恢复正常运行。Dpp 允许用户启用或禁用复位功能(对于具有连续反馈的前置放大器,应禁用复位)。用户还可以指定禁用信号处理的时间。如果选择的间隔非常小,则信号形状(以及频谱)将失真。在高计数率下,复位脉冲出现的频率要高得多,因此如果选择的间隔非常大,则检测器的死区时间将非常大。
上升时间歧视
在某些应用中,根据从探测器到前置放大器的瞬态电流的持续时间来区分脉冲非常重要。例如,在某些 Si 二极管中,存在一个电场较弱的非耗尽区。该区域中的辐射相互作用将产生信号电流,但电荷会缓慢地穿过该区域。该区域中的此类相互作用可能导致各种光谱失真:背景值、阴影峰、峰值不对称。在 CdTe 二极管中,载流子寿命非常短,以至于慢脉冲会出现电荷不足。这些低振幅脉冲会扭曲光谱。在闪烁体中,脉冲形状区分可以将伽马射线与中子区分开来。这种脉冲形状区分可以在 Dp5 中使用 RTD 命令。
上升时间鉴别会拒绝探测器电流较长的事件,这些事件会导致快速和慢速脉冲形状的上升沿缓慢。DP5 使用快速通道中的峰值幅度与慢速通道中的峰值幅度的比较作为选择标准。如果此比率非常大,则上升时间很快,因此脉冲被视为有效。如果比率很小,则拒绝脉冲。由于快速通道本质上比慢速整形通道噪声大得多,因此还在整形通道上实施了 RTD 阈值。低于此阈值(“RTD 慢速阈值”)的事件不会被 RTD 处理,因此会被接受(但是,它们可能会被 PUR 或其他逻辑拒绝)。RTD 通常用于描述在高能量下探测器深处发生的相互作用;低能量事件不太可能从 RTD 中受益,因为它们低于 RTD 阈值,因此会被接受。
门(输入控制信号)
控制输入信号与外部电路一起使用,以确定哪些事件被包括在光谱中以及哪些事件被排除在光谱之外。信号可以是高电平有效或低电平有效(或关闭)。如果信号不存在(关闭),则所有事件(满足上面列出的选择标准)都会被计数。如果检测器计数活动为高电平(低电平)且控制输入信号活动为高电平(低电平),则事件被记录为有效。当计数率为零(门控关闭)时,光谱采集计时器也被禁用,因此可以确定准确的计数率。调整此信号的持续时间非常重要。如果信号在快速阈值触发期间有效,则事件被解释为快速计数率(快速通道中的计数率)。如果信号在峰值检测触发时有效(峰值检测被触发),则事件以慢速计数率记录,因此显示在光谱中。提醒:快速和慢速通道具有不同的触发时间,因此具有不同的脉冲生成时间。