Режекция наложений

Статистический характер распределения сигналов во времени приводит к частичному их перекрытию, т.е. к наложению импульсов. Наложения могут возникать в детекторе, предусилителе, усилителе.


Рис.1. Наложения импульсов в спектрометрическом усилителе.

Обычно наибольший вклад в искажения амплитудных распределений вносят наложения в спектрометрических усилителях. На рис. 1а показано наложение, когда неискаженная амплитудная информация, по крайней мере для одного из наложенных пиков, может быть извлечена. В случае, изображенном на рис. 1б, информация полностью искажена.
В соответствии с законом Пуассона вероятность прихода очередного сигнала P(t) в интервале t после предшествующего определяется соотношением

P = n

t exp(-n

t),

(1)

где n - средняя скорость поступления событий. Соответственно, для средней частоты наложений можно записать

n_н = n²t_p (при nt_p << 1),

(2)

где t_p - длительность сигнала. Как видно из (2), частота наложений квадратично зависит от частоты событий и самый простой способ их минимизации - уменьшить входные загрузки. Однако это не всегда лучший выход, в частности, если нас интересуют ядерные реакции с малым выходом, которые идут на интенсивном фоне сопутствующих реакций. Так, если соотношение сечений такое, что на 10⁶ зарегистрированных событий только одно представляет интерес, загрузка спектрометрического тракта 10⁴ имп/с, длительность сигнала спектрометрического усилителя 10^-6 с, то средняя частота наложений будет 100 с^-1. В то же время средняя скорость исследуемых событий будет всего 10^-2 имп/с. В этих условиях полезная информация может быть искажена до неузнаваемости. Уменьшение длительности импульсов нежелательно, так как приводит к ухудшению отношения сигнал/шум. Остается только использовать методы детектирования, режекции и учета наложенных событий.
Рассмотрим некоторые способы детектирования и режекции наложений.

Режекция наложений методом фиксации нуля биполярного импульса

Этот метод режекции наложений основан на изменении формы импульсов наложений по сравнению с импульсами от одиночных событий. По сути это метод дискриминации по форме импульса. Аналогичные схемы могут применяться, например, и для n-γ-дискриминации. Пример реализации этого метода показан на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема устройства детектирования и режекции наложений методом фиксации нуля биполярного импульса.

Рис. 3. Выходные импульсы устройств, показанных на рис. 2: а) биполярные импульсы спектрометрического усилителя, б) быстрого дискриминатора, в) временного одноканального анализатора (1), г) ВАКа, д) временного одноканального анализатора (2), е) задержанные однополярные импульсы спектрометрического усилителя, ж) импульсы с выхода линейных ворот.

Момент пересечения нуля у биполярного импульса при наложении сигналов сдвинут на некоторое время, по сравнению с импульсом в отсутствии наложений (см. рис. 3а). Это различие фиксируется время-амплитудным конвертором (ВАК), на стартовый вход которого поступают сигналы цепочки быстрый усилитель - быстрый дискриминатор (рис. 2б). Быстрый дискриминатор осуществляет привязку по переднему фронту сигнала. На стоповый вход ВАКа поступают сигналы от одноканального анализатора (1) (рис. 3в), временная привязка которого осуществляется по пересечению биполярным сигналом от спектрометрического усилителя нулевой линии. Амплитуда выходного сигнала ВАКа линейно зависит от времени между сигналами "старт" и "стоп" (рис. 3г). Верхний порог дискриминации одноканального анализатора (2), на который поступают импульсы с ВАКа, устанавливается так, чтобы сигналы на его выходе генерировались только для событий без наложений. Эти сигналы (рис. 3д) поступают на управляющий вход линейных ворот, которые этим сигналом открываются и пропускают задержанный спектрометрический сигнал. Задержка вводится для временного согласования между линейным и управляющим сигналами, поступающими на линейные ворота.
Эту систему можно упростить, заменив быстрые усилитель и дискриминатор одноканальным временным анализатором с привязкой по переднему фронту и подав на него сигналы спектрометрического усилителя. Однако эффективность режекции наложений в этом случае будет хуже из-за худшей фиксации времени.

Режекция наложений с помощью инспекции временных интервалов между событиями

В этом методе используется то обстоятельство, что в быстрых цепях из-за существенно меньшей длительности импульсов вероятность их наложения меньше и анализируется (инспектируется) время между импульсами в быстром канале. На рис. 4 показана блок-схема режекции наложений, в которой реализуется этот метод.

Рис. 4. Блок-схема режекции наложений с использованием инспектора наложений.

Рис. 5. Сигналы в системе режекций наложений с испектором наложений.

Короткие сигналы быстрого усилителя (рис. 5б) поступают на быстрый дискриминатор, порог которого установлен чуть выше уровня шумов. Стандартные логические импульсы временной привязки (рис. 5в) поступают на специальное устройство - инспектор наложений, в котором генерируется сигнал инспекции (рис. 5г), длительность которого обычно устанавливается равной длительности сигнала спектрометрического усилителя T_ins = T_w. Если во время интервала инспекции на вход инспектора поступает следующий сигнал, вырабатывается сигнал наличия наложений (рис. 5д), а сигнал инспекции продлевается на время между входными импульсами. Сигнал наличия наложений поступает на управляющий вход линейных ворот (нормально открытых) и служит сигналом запрета для наложений.
Относительно высокий уровень шумов быстрых усилителей ограничивает минимальный порог дискриминации. Это может приводить к тому, что в области малых амплитуд наложения не будут детектироваться и амплитудный спектр в этой области будет искажен.

На рис. 6 в качестве примера показано влияние режекций наложений в измерениях с большими загрузками.

Рис. 6. Гамма-спектры⁶⁰Co измеренные германиевым детектором при загрузке 50000 имп/c с режекцией и без режекций наложений.

[ОГЛАВЛЕНИЕ]