DP5

1. INTRODUCCIÓN

El DP5 es un procesador de pulsos digitales de alto rendimiento. El DP5 es un componente de un sistema completo de espectroscopia nuclear que también incluye:

1. detector y preamplificador;
2. fuente de alimentación.

Se puede montar un sistema completo combinando el DP5 con uno de los detectores Amptek, un preamplificador (se pueden utilizar varias opciones y configuraciones) y una fuente de alimentación Amptek PC5. El usuario también puede suministrar su propio detector, preamplificador y/o fuente de alimentación. El DP5 está diseñado para su uso con detectores de estado sólido de alta resolución, pero también se puede utilizar con sistemas de centelleo/PMT, contadores proporcionales y otros detectores. El DP5 es una placa de circuito impreso con electrónica que es principalmente adecuada para aplicaciones OEM como parte de un sistema completo.

DP5 es la segunda generación de procesadores de pulsos digitales (DPP) que sustituyen al amplificador-formador y al analizador multicanal utilizados en los sistemas analógicos. Las tecnologías digitales mejoran varios parámetros clave: 1) mayor rendimiento, en particular, mayor resolución y mayores tasas de conteo; 2) significativa flexibilidad del sistema debido a una gran cantidad de posibles ajustes seleccionados mediante software; 3) estabilidad y reproducibilidad mejoradas. El DPP digitaliza la señal de salida del preamplificador, aplica procesamiento de señal digital en tiempo real, detecta los picos de amplitud y los coloca en la memoria del histograma. Luego, el espectro se transfiere al ordenador del usuario.

En la configuración estándar, sólo se requieren tres conexiones: alimentación (+5 VCC), comunicaciones (USB, RS232 o Ethernet) y una entrada analógica del preamplificador. Un conector auxiliar proporciona varias entradas y salidas adicionales que se utilizan al integrar el DP5 con otros equipos. Esto incluye una puerta de enlace MCA, salidas de temporización y ocho salidas SCA. El DP5 también incluye una "interconexión" diseñada principalmente para interactuar con las placas de alimentación de Amptek, pero está disponible para los fabricantes de equipos originales. El DP5 viene con el software ADMCA para la adquisición de datos y el control de la configuración del detector, así como bibliotecas DLL para integrar el hardware con el software del cliente. El hardware adicional opcional incluye software de análisis de espectro de rayos X, varios colimadores y hardware de montaje, y tubos de rayos X para crear un sistema de análisis de fluorescencia de rayos X compacto y completo.

Figura 1-1. Fotografía de DP5 (izquierda) y el espectro característico de 55Fe obtenido con el detector XR-100SDD.

2. DESCRIPCIÓN DEL DP5

Un sistema de espectroscopia nuclear estándar completo incluye varios componentes clave:

1. Detector
2. Preamplificador
3. Placa de conversión de pulsos (incluye formador de pulsos, circuito de selección de pulsos, contador de pulsos, analizador multicanal, interfaz de adquisición y control de datos)
4. Fuente de alimentación
5. Embalaje o caja
6. Software para configurar el detector, recopilar y analizar los datos recibidos.

El DP5 es un procesador de pulsos digitales que implementa las funciones descritas en (3) y es un componente de un sistema espectrométrico completo. El DP5 ha sido diseñado para proporcionar máxima versatilidad y puede adaptarse para su uso en una amplia variedad de sistemas. Diseñado como una única placa pequeña, el DP5 es la solución más adecuada para la integración con soluciones OEM. Este artículo proporciona una especificación detallada y ejemplos de aplicación para la placa DP5.

2.1 Funciones de los bloques principales

La figura 2.1 muestra cómo se utiliza el procesador de pulsos digitales (DPP) para procesar señales en la cadena completa del sistema de instrumentación nuclear y sus principales bloques funcionales. El DPP digitaliza la señal de salida del preamplificador, aplica procesamiento digital a la señal en tiempo real, determina la amplitud máxima (en forma digital) y las coloca en un búfer de memoria, creando un espectro de energía. El circuito de selección de pulsos puede excluir pulsos del espectro utilizando varios criterios. Luego, el espectro se transmite a través de la interfaz del DPP al ordenador del usuario.

Dpp digitaliza la salida del preamplificador, realiza el procesamiento digital de la señal en tiempo real, detecta la amplitud de pico y la almacena en un buffer de memoria, esta amplitud puede ser rechazada por la electrónica dependiendo del criterio utilizado.

Preamplificador analógico (prefiltro) : la entrada Dpp es la salida del preamplificador analógico sensible a la carga. El chip de prefiltro analógico prepara la señal para el procesamiento digital. Las funciones principales de este circuito son (1) aplicar la ganancia y la mezcla adecuadas para "llegar" a la señal en el rango de ADC adecuado (2) filtrar la señal y darle forma para optimizar la digitalización.

ADC : El ADC de 12 bits digitaliza la salida del preamplificador analógico a una frecuencia en el rango de 20 – 80 MHz. El flujo de valores digitalizados se transmite al conformador de pulsos digitales (Digital Pulse Shaping) en tiempo real.

Modelado de pulsos digitales : la salida del ADC se procesa continuamente mediante una arquitectura de canalización para generar un pulso en una forma conveniente para su posterior procesamiento en tiempo real. El modelado de pulsos es estándar, similar a cualquier otro amplificador-modelador. El pulso modelado es una unidad digital pura . La salida se puede redirigir al DAC para fines de diagnóstico, pero esto no es un requisito obligatorio.

Dentro del formador de pulsos hay dos componentes para el procesamiento de señales: estos son canales rápidos y lentos, que están optimizados para procesar diversa información de la cadena de pulsos actual.

El canal lento tiene un tiempo de formación de pulsos largo, que es necesario para obtener amplitudes de pulsos precisas. El valor de altura de pico para cada pulso en el canal lento es el valor de la señal de salida del formador de pulsos.
El canal rápido está optimizado para obtener información de tiempo, es decir, para detectar pulsos que se superponen en el canal lento, medir la tasa de conteo, el tiempo de subida de pulsos, etc.

Lógica de selección de pulsos: elimina los pulsos que no se pueden medir con precisión. Incluye lógica de rechazo de acumulación, discriminación de tiempo, etc.

2.2 Preamplificador analógico

El Dp5 está diseñado para procesar señales provenientes de un preamplificador sensible a la carga utilizado con detectores de radiación de estado sólido. Estas señales tienen (1) una amplitud pequeña en el rango de unos pocos mV (2) un tiempo de subida rápido (10 ns (o µs)) (3) y una amplitud pequeña. Estas señales (pasos) se pueden ver en las partes superiores de la Figura 2.2. Estas señales no son adecuadas para la digitalización debido a su pequeña amplitud. El preamplificador analógico prepara estas señales para una digitalización posterior (curva azul).

El amplificador analógico realiza las siguientes funciones: (1) Un filtro de paso alto con una constante de tiempo de 3,2 µs para que los pulsos ya no se superpongan, (2) Amplifica la señal para que los pulsos más grandes tengan una amplitud de aproximadamente 1 V, (3) Desplaza la señal para que caiga dentro del rango del ADC. La salida del amplificador analógico se muestra en la figura mediante la línea azul.

De forma predeterminada, el amplificador analógico está configurado para usarse con la familia de detectores XR100CR de Amptek (detectores de estado sólido con un preamplificador reiniciable).

Ganancia del sistema

La ganancia del sistema se mide en unidades de canales/keV: esto da el número de canal en el que aparecerá un pico de energía particular. Es el producto de tres términos: (1) la ganancia del amplificador de detección de carga (en unidades de mV/keV), (2) la ganancia total del amplificador de voltaje (este es el producto de la ganancia gruesa y la ganancia fina), (3) la ganancia del analizador MCA (canales por mV).

En el caso de los detectores XR100CR de Amptek, la ganancia suele ser de 1 mV/keV. La ganancia MCA del analizador se obtiene dividiendo el valor del número de canales seleccionado (p. ej., 1024) por el voltaje correspondiente al canal en el que se encuentra el pico. En los procesadores digitales de Amptek, este valor suele ser de 950 mV. La ganancia DP5 es el producto de la ganancia gruesa y la ganancia fina. Por ejemplo, si la ganancia fina es 1,00 y la ganancia gruesa es 66,3, la ganancia del sistema es (1 mV/keV)(66,3)(1,00)(1024 canales / 950 mV) = 71,5 canales/keV. 1/71,5 canales/keV = 14 eV/canal es el factor de calibración MCA. La energía a escala completa sería entonces 1024 canales / 71,5 canales por keV = 14,3 keV. Sin embargo, estos valores son aproximados debido a las tolerancias de fabricación de los condensadores de retroalimentación, resistencias, etc. (los errores ascienden a unos pocos porcentajes).

Preamplificadores de reinicio y continuo

El amplificador de detección de carga produce un voltaje proporcional a la integral temporal de la corriente. El integrador finalmente se satura porque la corriente a través del diodo aumenta continuamente. Hay dos formas de mantener la salida del preamplificador en el rango deseado: reinicio y retroalimentación continua. La Figura 2-4 (izquierda) muestra la salida del preamplificador de reinicio durante un largo período de tiempo: muchos pasos pequeños (unos pocos mV) fuerzan la señal de salida a acercarse al límite negativo (- 5 V) linealmente durante un período de varios segundos. Luego se activa un pulso de reinicio para que la señal de salida se establezca en + 5 V durante un período de varios µs. El amplificador de reinicio proporciona un mínimo de ruido electrónico y, por lo tanto, se utiliza en detectores. Una transición muy grande durante el reinicio puede afectar el procesamiento de la señal, por lo que el DPP incluye una lógica de "bloqueo" diseñada para eliminar efectos no deseados.

Otra solución tradicional es crear un pequeño bucle de retroalimentación que restablezca la señal de entrada a un valor cercano a tierra. En el caso más simple, la resistencia de retroalimentación Rf se coloca en paralelo con el condensador de retroalimentación Cf, a través del cual se integra la corriente. Después de un paso de voltaje ΔV debido a las señales que interactúan, la señal de salida se desplaza gradualmente hasta el valor inicial, con una constante de tiempo de retroalimentación, como se muestra en la Fig. 2-4 a la derecha. En la figura, esta constante de tiempo es equivalente a 500 µs, lo que permite un cálculo preciso (integración) de la carga total, pero provoca una acumulación de pulsos. La resistencia de retroalimentación aumenta el ruido electrónico, por lo que este circuito no se utiliza en los detectores Amptek.

2.3 Conformación de pulso.

Canal lento.

El canal DPP lento está optimizado para un conteo preciso de la altura de pico. Utiliza una forma de pulso trapezoidal, un ejemplo de la cual se muestra en la Figura 2-5. Esta forma de pulso proporciona la relación señal-ruido óptima para muchos detectores.

El usuario puede ajustar el tiempo de subida o bajada (estos tiempos deben ser iguales) y la duración de la parte superior plana en varios pasos. Un amplificador semigaussiano con un tiempo de modelado de pulso de τ tiene un tiempo de subida de pico de 2,2 τ y es comparable en rendimiento a un pulso trapezoidal con el mismo tiempo de subida de pico. Un DPP con un tiempo de subida de pico de 2,4 μs es equivalente a un modelador semigaussiano con una constante de tiempo de 1 μs.

El ajuste del tiempo de subida de pico es un componente muy importante para optimizar la configuración del sistema. Por lo general, existe un equilibrio: cuanto más corto sea el tiempo de subida de pico, menor será el tiempo muerto, lo que aumenta el rendimiento y la tasa de conteo, pero con un aumento en el tiempo de subida de pico, el ruido electrónico del sistema también aumenta. Los ajustes óptimos dependen estrictamente del tipo de detector y amplificador, así como de los objetivos establecidos. El ruido eléctrico tiene un mínimo en un cierto valor del tiempo de subida de pico. En tiempos de subida de pico mayores o menores que este valor, el valor del ruido aumentará, lo que degradará la resolución.

Si el tiempo de subida máxima es muy largo en comparación con la frecuencia de muestreo entrante, se producirá una acumulación.

Canal rápido

El canal rápido está diseñado para detectar pulsos que se superponen entre sí en el canal lento. El canal rápido se utiliza para rechazar pulsos que están demasiado cerca como para distinguirlos en el canal lento y para determinar la tasa de conteo real (corregida para los eventos que se perdieron en el tiempo muerto del canal lento). El canal rápido también utiliza la conformación de pulso trapezoidal, sin embargo, el tiempo de subida del pico en este caso está en el rango de 100-400 ns. La Figura 2-6 muestra el funcionamiento básico del canal rápido, los pulsos se miden con un tiempo de subida de pico de 100 ns. Como se puede ver a la derecha, los pulsos que se retrasan entre sí en el tiempo solo 120 ns se cuentan por separado en el canal rápido.

RESTAURACIÓN DE LÍNEA BASE (Reconstrucción del pulso de línea base)

La amplitud de los pulsos se calcula de manera implícita en relación con la línea base. Cualquier fluctuación aleatoria en la línea base, o cualquier cambio sistemático en ella, distorsionará la medición de amplitud. La línea base se denomina comúnmente "tierra", pero esto es un tanto ambiguo ya que la tierra es solo una referencia para la medición de voltaje. Si esta línea base cambia con el tiempo, la tasa de conteo o cualquier otra cosa, estas distorsiones aparecerán en las mediciones.

El pico de línea base de un procesador digital tiene diferencias significativas con respecto a un amplificador-modelador analógico tradicional. Esto se debe a que el pulso después de pasar por la cadena no tiene efecto sobre otros pulsos que pasan por la cadena (¡así es como lo entendí!). Esta es una diferencia fundamental con respecto a los diferenciadores analógicos y conduce a un aumento significativo en la estabilidad de las líneas base a altas tasas de conteo.

Dpp tiene una línea base asimétrica con varios ajustes diferentes. DPP BLR utiliza picos negativos de ruido aleatorio para determinar la línea base. Los picos negativos solo aparecen cuando no hay señal, por lo que si son estables, entonces la línea base es estable, independientemente de la tasa de conteo. BLR normalmente produce un cambio comparable al valor del ruido RMS. Hay dos parámetros independientes, UP y DOWN, cada uno de los cuales se puede configurar en cuatro posiciones: Very Slow, Slow, Medium y Fast. Estas son esencialmente velocidades de respuesta en la línea base. Configurar UP y DOWN en Very Fast hará que BLR responda muy rápidamente a cualquier cambio en la línea base. Se debe enfatizar que la configuración óptima depende estrictamente de los detalles de la aplicación práctica: la naturaleza de las fluctuaciones, etc. Si se encuentra que los picos se desplazan a canales inferiores a tasas de conteo altas, aumente la velocidad de respuesta UP o disminuya la velocidad de respuesta DOWN. Si se observan “ráfagas” ocasionales en el sistema que hacen que el espectro se desplace hacia canales más altos (lo que a menudo se manifiesta como ráfagas de ruido por encima del umbral), entonces disminuya la velocidad lenta de subida o aumente la velocidad lenta de bajada.

2.3.2 Selección de pulsos.

Dpp utiliza umbrales para detectar pulsos. Ambos canales (rápido y lento) tienen sus propios umbrales. El ruido suele ser más alto en el canal rápido, y la mejor opción para el canal rápido es establecer el umbral ligeramente más alto que el ruido. El umbral del canal lento se utiliza para determinar qué eventos se agregarán al espectro. Los eventos con una amplitud menor que el umbral lento se ignoran. El umbral del canal lento es equivalente al discriminador de nivel inferior (LLD).

El umbral del canal rápido también funciona como un discriminador de bajo nivel y se utiliza para lograr los siguientes efectos: (1) La tasa de eventos medida en el canal rápido es el flujo entrante medido por el detector de tasa de conteo entrante (ICR). (2) El rechazo de acumulación (PUR) es la lógica que distingue entre eventos que se superponen en el canal lento pero difieren en el canal rápido. (3) La discriminación del tiempo de subida (RTD) utiliza la amplitud de la señal recibida en el canal rápido para medir la corriente al comienzo del pulso. PUR y RTD se analizarán con más detalle a continuación.

La configuración correcta de estos umbrales es muy importante para obtener la información correcta y más precisa. La configuración incorrecta de los umbrales conlleva muchos problemas que surgen para los usuarios. Por ejemplo, si el umbral es demasiado pequeño en un canal rápido y la función PUR está activada, entonces se rechazará cada evento y, en consecuencia, no se recibirá ninguna señal. De manera similar, si el umbral de un canal lento es muy grande, se rechazarán todos los eventos.

Rechazo de impulso ascendente

Esta lógica se utiliza para detectar dos interacciones que ocurren tan cerca en el tiempo que la salida se fusiona en un solo evento con amplitud distorsionada. PUR utiliza un sistema "Rápido-Lento". La Figura 2.7 muestra el funcionamiento de DP4 para pulsos (eventos) que están cerca en el tiempo.

En la figura (a) dos eventos están separados por menos del tiempo de subida pico, mientras que la figura (b) muestra una imagen completamente diferente, donde los pulsos están bien resueltos, por lo tanto, el tiempo entre sus ocurrencias es mucho más largo. En el caso (a), la señal de salida es la suma de los dos pulsos. Sin embargo, las señales en la salida analógica (a) están resueltas. Para una forma de pulso casi triangular, la superposición ocurre solo cuando los dos eventos se resuelven por menos del tiempo pico. El intervalo utilizado en Dpp para rechazar eventos por los criterios 1 - tiempo muerto y 2 - PUR es la suma del tiempo de subida y la duración de la parte superior plana. Si PUR está habilitado y los dos eventos están separados por más del tiempo de resolución de dos pulsos del canal rápido (120 ns) y menos de este intervalo, ambos serán rechazados. Si el rechazo de apilamiento está habilitado y dos eventos están separados por más de la resolución del par de pulsos del canal rápido (120 ns) y menos de este intervalo, ambos son rechazados. Los eventos que exceden un umbral en el canal rápido activan la lógica de rechazo de apilamiento.

Restablecer bloqueo. (bloqueo después del reinicio)

Como se mencionó anteriormente, muchos preamplificadores utilizan un reinicio de pulso para evitar que la salida del preamplificador se sature. El reinicio genera una señal muy larga en Dpp, lo que lleva a la saturación del amplificador, desbordamiento de registros, etc. Por lo tanto, Dpp tiene un circuito de detección de reinicio (que detecta pulsos negativos muy grandes) y lógica para bloquear el procesamiento de la señal durante algún tiempo después del reinicio, este tiempo sirve para restaurar el funcionamiento normal. Dpp ofrece al usuario habilitar o deshabilitar la función de reinicio (el reinicio debe deshabilitarse para preamplificadores con retroalimentación continua). El usuario también puede especificar un tiempo durante el cual se deshabilitará el procesamiento de la señal. Si el intervalo se elige muy pequeño, entonces la forma de la señal (y por lo tanto el espectro) se distorsionará. A altas tasas de conteo, los pulsos de reinicio aparecen con mucha más frecuencia, por lo que si este intervalo se elige muy grande, por lo tanto, el tiempo muerto del detector será muy grande.

RiseTimeDiscriminación

En algunas aplicaciones, es importante discriminar los pulsos en función de la duración de la corriente transitoria que pasa por el detector hasta el preamplificador. Por ejemplo, en algunos diodos de Si hay una región no agotada con un campo eléctrico débil. Las interacciones radiativas en esta región generarán una corriente de señal, pero la carga se mueve a través de esta región lentamente. Tales interacciones en esta región pueden provocar diversas distorsiones espectrales: valores de fondo, picos de sombra, asimetría de pico. En los diodos de CdTe, la vida útil del portador es tan corta que los pulsos lentos presentan déficit de carga. Estos pulsos de baja amplitud distorsionan el espectro. En los centelleadores, la discriminación de la forma del pulso permite distinguir los rayos gamma de los neutrones. Dicha discriminación de la forma del pulso se puede utilizar en Dp5 utilizando el comando RTD.

La discriminación del tiempo de subida rechaza los eventos con una corriente de detector larga que resultan en un borde ascendente lento en formas de pulso rápido y lento. DP5 utiliza como criterio de selección una comparación de la amplitud pico en el canal rápido con la amplitud pico en el canal lento. Si esta relación es significativamente grande, el tiempo de subida es rápido y por lo tanto los pulsos se consideran válidos. Si la relación es pequeña, los pulsos se rechazan. Debido a que el canal rápido es inherentemente mucho más ruidoso que el canal de forma más lenta, también se implementa un umbral RTD en el canal de forma. Los eventos que están por debajo de este umbral (el "Umbral lento RTD") no son procesados ​​por el RTD y por lo tanto son aceptados (sin embargo, pueden ser rechazados por PUR u otras lógicas). RTD se utiliza a menudo para describir interacciones que ocurren en la profundidad del detector, a altas energías; es poco probable que los eventos de baja energía se beneficien de RTD activado porque están por debajo del umbral RTD y por lo tanto son aceptados.

Puerta (señal de control de entrada)

La señal de entrada de control se utiliza con circuitos externos para determinar qué eventos se incluyen y cuáles se excluyen del espectro. La señal puede ser activa alta o activa baja (o desactivada). Si la señal no está presente (desactivada), se cuentan todos los eventos (que satisfacen los criterios de selección enumerados anteriormente). Si la actividad de conteo del detector es alta (baja) y la actividad de la señal de entrada de control es alta (baja), el evento se registra como válido. Cuando la tasa de conteo es cero (desactivada), el temporizador de adquisición de espectro también se desactiva, por lo que se puede determinar la tasa de conteo exacta. Ajustar la duración de esta señal es muy importante. Si la señal está activa durante la activación del umbral rápido, el evento se interpreta como una tasa de conteo rápida (tasa de conteo en el canal rápido). Si la señal está activa cuando se activa la detección de pico (se activa la detección de pico), el evento se registra a la tasa de conteo lenta y, por lo tanto, se muestra en el espectro. Recordatorio: los canales rápido y lento tienen diferentes tiempos de activación y, por lo tanto, tienen diferentes tiempos de generación de pulsos