зывает значительное влияние на характеристики системы, скорость счета часто контролируется непрерывно.

4.8 МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР

Функции, которые на рис. 4.2 представлены внутри пунктирной линии, обычно выполняются многоканальным анализатором (МКА), действующим по принципу амплитудно-импульсного анализа. Термины многоканальный анализатор и амплитудно-импульсный анализатор часто взаимозаменяемы. МКА может работать в нескольких режимах, включая анализ амплитуды импульсов, выбор уровней напряжения и многоканальное масштабирование. Он сортирует и накапливает импульсы от зарегистрированных гамма-квантов, поступающие от основного усилителя, для построения цифрового и визуального представления амплитудно-импульсного спектра, полученного с помощью де тектора.

4.8.1 Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) расположен на входе МКА и производит основной анализ амплитуды импульсов. На вход АЦП подается аналоговый импульс напряжения от главного усилителя; на его выходе появляется двоичное число, которое пропорционально амплитуде входного импульса. Дво- ичное число на выходе часто называют адресом. Другие цепи МКА добавляют единицу в регистр памяти МКА, адрес которого соответствует адресу АЦП, который выполняет функцию, аналогичную той, которую выполняет пользователь осциллографа, произносящий "пять вольт", когда на входную клемму осциллографа поступает импульс в 5 В. АЦП принимает импульсы в заданном диапазоне напряжения, обычно от 0 до 8 или до 10 В, и сортирует их по большому ряду прилегающих друг к другу ячеек или каналов напряжения равной ширины. Из-за функции сортировки первые МКА часто называли "сортировщиками" всплесков, так как импульс усилителя сравнивался с электрическим вс плеском.

Число каналов, на которое делится весь диапазон напряжений, обычно является степенью числа 2 и называется коэффициентом преобразования АЦП. В середине 1950-х годов высококачественные АЦП делили 100 В на 256 каналов. Сей- час АЦП обычно делит 10 В на 16384 каналов. Эта способность впечатляет; отдельный канал имеет ширину всего 0,6 мВ. Требуемый коэффициент преобразования АЦП изменяется в зависимости от типа детектора и рассматриваемого диапазона энергии. На рис. 4.15 показана часть 8192-канального спектра плутония, измеренного с помощью германиевого детектора высокого разрешения. Пики полного поглощения должны содержать достаточное число каналов, чтобы точно описать структуру спектра. В некоторых случаях вполне достаточно пяти каналов. Когда требуется процедура подгонки пика, для точного определения формы пика необходимы 10 или более каналов.

АЦП сортирует выходные импульсы усилителя в соответствии с уровнем их напряжения, который пропорционален энергии, потерянной гамма-квантом в детекторе. Подобно соотношению между напряжением импульса и энергией гам-

Ðèñ. 4.15. Небольшая часть 8192-канального спектра плутония, полученно го с помощью высококачественного коаксиального германиевого детектор а. Главным пиком является пик 375 кэВ от распада 239Pu

ма-кванта отношение между номером канала и энергией гамма-кванта приблизительно линейно. Это соотношение можно представить уравне нием (4.1):

где: E — энергия, кэВ; X — номер канала;

m — наклон прямой, кэВ/канал;

b — точка пересечения прямой с осью X, кэВ.

Наклон m зависит от коэффициента преобразования энергии гамма-кванта в заряд детектора и коэффициента усиления усилителя; обычно значения этого коэффициента изменяются от 0,05 до 1,0 кэВ/канал. Хотя логично предположить, что нулевая энергия соответствует нулевому каналу (b=0), часто это не так. Точка пересечения оси X и наклон прямой могут быть отрегулированы таким образом, чтобы подогнать рассматриваемый энергетический диапазон в нужный диапазон каналов. Например, при измерении плутония часто используют гамма-излучение в диапазоне от 60 до 420 кэВ. Если наклон установлен равным 0,1 кэВ/канал, а точка пересечения нуля находится на 20 кэВ, 4096-канальный спектр перекрывает энергетический диапазон от 20 до 429,6 кэВ и включает рассматриваемое гам- ма-излучение с энергией 413,7 кэВ. В этом примере номер канала легко может быть преобразован в энергию. Большинство АЦП имеют как аналоговое, так и цифровое управление для регулировки точки пересечения оси X. Аналоговое управление называется управлением базового уровня или нуля, а цифровое управление называется цифровым компенсатором.

Поскольку предусилители, усилители и аналогово-цифровые преобразователи не являются абсолютно линейными устройствами, соотношение между энергией и номером канала, показанное в уравнении (4.1), не является точным. Однако при хорошем оборудовании энергия гамма-излучения может быть измерена с точностью до десятых долей кэВ, предполагая линейную зависимость. Линей-

ность АЦП обычно определяют двумя величинами: интегральной и дифференциальной нелинейностями. Интегральная нелинейность характеризуется слабой кривизной в соотношении между энергией и номером канала; дифференциальная нелинейность определяется изменением в ширине канала. Трудно создать АЦП, который не имел бы дифференциальной нелинейности. Часто примыкающие каналы имеют заметно разную ширину. Это можно наблюдать на горизонтальных участках спектра, когда все каналы с четными номерами имеют больше отсчетов, чем все каналы с нечетными номерами. Такие нечетно-четные эффекты общеизвестны и могут проявляться и в чередующихся группах двух, четырех или даже восьми каналов. Общая проблема АЦП, которая может влиять на результаты измерений, заключается в медленном росте дифференциальной нелинейности со временем. Уровень дифференциальной нелинейности обычных АЦП, равный 1%, является вполне приемлемым для большинства задач.

Обычно используются два типа АЦП: АЦП Уилкинсона и АЦП последовательного приближения. АЦП Уилкинсона считает импульсы от быстрого генератора за интервал времени, который пропорционален амплитуде импульса усилителя. Время, преобразованное в код, определяет номер канала, приписываемый каждому импульсу. АЦП последовательного приближения проводит сравнение импульса усилителя в серии аналоговых компараторов. Первый компаратор определяет, находится ли амплитуда импульса выше или ниже половины диапазона АЦП. Каждый последующий компаратор показывает, находится ли импульс выше или ниже половины интервала напряжения предыдущего компаратора. Серия из 12 компараторов приписывает амплитуду анализируемого импульса к одному из 212 (или 4096) каналов. Время, преобразованное в код, для АЦП последовательного приближения является постоянным и не зависит от амплитуды импульса. До недавнего времени АЦП Уилкинсона доминировали в области гам- ма-спектрометрии, поскольку они имели лучшую дифференциальную линейность. Сейчас АЦП последовательного приближения имеют сравнимую дифференциальную линейность и становятся более популярными, поскольку они работают быстрее, чем АЦП Уилкинсона.

Для спектрометрии при высоких скоростях счета быстродействие АЦП является важным параметром. Когда АЦП обрабатывает один импульс, все другие импульсы игнорируются. Время обработки импульса, или мертвое время, может быть существенной частью общего времени набора данных. Мертвое время, равное 25 %, означает, что в потоке импульсов усилителя теряется 25 % информации. Для обоих типов АЦП мертвое время на одно событие равно сумме времени преобразования амплитуды в код и фиксированного времени обработки (обычно от 2 до 3 мкс). Генераторы с частотами 450 и 100 МГц, используемые в АЦП Уилкинсона, требуют от 12 до 43 мкс на преобразование в число и запись события для гамма-кванта в 4000-й канал. В АЦП последовательного приближения (4096 каналов) на анализ события для одного гамма-кванта требуется от 4 до 12 мкс. Подробное рассмотрение быстродействия АЦП требует анализа энергетического спектра гамма-излучения, общего коэффициента усиления системы и диапазона АЦП. В общем случае для спектров с числом каналов 4096 и более, АЦП последовательного приближения работают быстрее, чем АЦП Уилкинсона, но для спектра с небольшим числом каналов у АЦП Уилкинсона выше скорость работы. В спектре со средним числом каналов, равным 512, АЦП Уилкинсона с частотой 400 МГц имеет среднее мертвое время на событие, равное 3 мкс.

Большинство АЦП, независимо от их типа или изготовителя, имеют несколько общих характеристик. Дискриминаторы нижнего и верхнего уровня определяют наименьший и наибольший импульсы, которые допустимы для цифрового преобразования. Эти дискриминаторы могут быть отрегулированы таким образом, чтобы отбраковывать не представляющие интерес события низких и высоких энергий и снизить мертвое время АЦП. Регулировка дискриминатора не оказывает действия на общую скорость счета гамма-квантов и не может быть использована для снижения потерь из-за наложений импульсов, которые имеют место в детекторе, предусилителе и усилителе. Эти дискриминаторы являются ОКА на входе АЦП. Большинство АЦП снабжены выходным разъемом от ОКА и имеют входы совпадений и антисовпадений, которые позволяют внешним логическим цепям управлять работой АЦП. Цепи режекции наложений импульсов генерируют управляющий импульс, который подается на вход антисовпадений, чтобы запретить обработку или запоминание наложенных импульсов. Вход совпадений также используется для анализа событий гамма-излучения, которые регистрируются в двух отдельных детекторах. Большинство АЦП имеют регулируемые коэффициент и диапазон преобразования; управление диапазоном задает максимальное число преобразуемых каналов. Обычно существует индикатор мертвого времени, который показывает его долю. В МКА на основе компьютеров параметры АЦП часто могут устанавливаться управляющей программой компьютера. Большинство небольших МКА имеют встроенный АЦП. Большие системы МКА используют отдельные модули АЦП в стандарте NIM или встроенные АЦП.

4.8.2 Стабилизаторы спектра

Для германиевых и кремниевых детекторов соотношение энергии и номера канала изменяется со временем даже тогда, когда коэффициент преобразования энергии в собранный заряд постоянен. Коэффициент усиления и нулевой уровень предусилителя, усилителя и АЦП подвержены небольшим, но конечным изменениям, обусловленным отклонениями в температуре и скорости счета. В лабораторных условиях положение пика полного поглощения в 4000-м канале может сместиться только на несколько каналов за период времени в несколько недель; однако даже этот небольшой дрейф может оказаться нежелательным. Большие дрейфы могут внезапно возникнуть в неконтролируемой окружающей среде, что характерно для промышленных установок. В спектрометрической системе для компенсации возможного дрейфа используются электронные модули — стабилизаторы спектра, которые фиксируют положение одного или более пиков полного поглощения при настройке усиления или уровня постоянного тока. Стабилизаторы спектра особенно рекомендуются для гамма-спектрометрических систем, которые должны эксплуатироваться в неконтролируемой окружающей среде неквалифицированными операторами (это часто характерно для обычных систем анализа на заводе). Стабилизаторы также рекомендуются при использовании процедуры суммирования в каналах для определения площадей пиков полного поглощения.

Спектрометрические стабилизаторы, используемые вместе с германиевыми и кремниевыми детекторами, обычно представляют собой цифровые схемы, соединенные непосредственно с АЦП. Стабилизатор рассматривает адрес каждого

гамма-события, генерируемого АЦП, и сохраняет число отсчетов в двух узких окнах на каждой стороне выбранного канала пика полного поглощения. Стабилизатор генерирует сигнал обратной связи для АЦП. Этот сигнал пропорционален разности числа отсчетов в двух окнах. Сигнал обратной связи корректирует коэффициент усиления АЦП и нулевой уровень так, чтобы среднее число отсчетов в каждом окне оставалось одним и тем же; регулировка фиксирует позицию выбранного стабилизационного пика. Часто для стабилизации используются два независимых пика: пик на высокоэнергетическом участке спектра используется для корректировки усиления, а пик на низкоэнергетическом участке спектра — для корректировки нулевого уровня АЦП. Обычно при двухточечной стабилизации стабильность спектрометрической системы настолько высока, что дрейф спектральных пиков не превышает одной десятой части канала в течение многих месяцев. Цифровые стабилизаторы также могут использоваться, чтобы облег- чить установку простой и удобной энергетической градуировки (например, E = 0,1 X).

Пики стабилизации должны быть свободны от наложений, иметь достаточ- ную интенсивность и присутствовать в течение всего времени анализа. Часто в качестве пика стабилизации используется пик одного из источников гамма-излу- чения, который прилагается к детектору для градуировки. Обычно такой источ- ник стабилизации является моноэнергетическим и дает пик стабилизации с такой низкой энергией, что его комптоновское распределение не интерферирует с другими рассматриваемыми пиками гамма-излучения. В некоторых случаях к входу предусилителя может быть подсоединен высокостабильный генератор электри- ческих импульсов для получения искусственного пика стабилизации. Пики от генераторов импульсов или специальных источников стабилизации также могут использоваться для обеспечения учета потерь из-за наложений импульсов и мертвого времени (см. главу 5).

Не во всех АЦП имеется цифровая стабилизация, она часто отсутствует в портативных многоканальных анализаторах и АЦП последовательного приближения. Цифровые стабилизаторы являются обычно модулями в стандарте NIM единичной или двойной ширины. Все стабилизаторы имеют ручки управления для установки нужного номера канала центра пика и ширины окон для пиков стабилизации; часто имеется ручка управления для установки чувствительности стабилизатора. Сейчас выпускаются цифровые стабилизаторы, которые могут управляться внешним компьютером; это полезно, когда пики стабилизации необходимо менять в течение автоматизированных процедур ана лиза.

Цифровые стабилизаторы с малым диапазоном коррекции не работоспособны при использовании детекторов NaI. Кроме того, цифровые стабилизаторы работают с АЦП, а многие системы на основе детектора NaI используют ОКА для накопления необходимой спектрометрической информации. Вследствие относительно большей нестабильности сцинтилляционных детекторов с фотоумножителем (находящейся в диапазоне от 1 до 2 %/°C), для детекторов NaI стабилизация спектра часто более необходима, чем для германиевых или кремниевых детекторов.

Стабилизаторы сцинтилляционных детекторов подобны цифровым стабилизаторам, но работают с усилителем, а не с АЦП. Стабилизатор сравнивает скорость счета на каждой стороне пика, выбранного для стабилизации, и формирует сигнал обратной связи, который подгоняет коэффициент усиления так, чтобы