Способы временной привязки. Быстрые дискриминаторы

Временная привязка (хронирование) служит для фиксации момента регистрации события в детекторе. Различается два типа устройств, реализующих временную привязку. Одни используют "медленные" спектрометрические сигналы. Это временные одноканальные анализаторы. Другие, быстрые дискриминаторы, используют сигналы либо непосредственно от детекторов, либо от быстрых усилителей.
И в тех, и в других устройствах используются следующие методы временной привязки:

привязка по переднему фронту импульса,
привязка по нулю биполярного импульса,
метод следящего порога и его разновидности.

    Обычно быстрые дискриминаторы это интегральные дискриминаторы, то есть они осуществляют хронирование, если амплитуда входных сигналов превышает установленный в них уровень. Однако производятся и быстрые дифференциальные дискриминаторы, в которых можно устанавливать диапазон входных амплитуд, в котором дискриминатор будет осуществлять хронирование. По сравнению с одноканальными анализаторами, которые получают входные сигналы от спектрометрических усилителей, амплитудная дискриминация у быстрых дискриминаторов более грубая.
    На точность временной привязки влияют следующие факторы: дрейф параметров аппаратуры, шумы, амплитуда и форма импульсов, статистический разброс в ФЭУ. Что касается дрейфа параметров, который в основном определяется температурным дрейфом, то он может оказаться критическим фактором при длительных измерениях или при работе с аппаратурой, не вышедшей на стационарный температурный режим. Учитывая, что современная аппаратура прогревается достаточно быстро (обычно достаточно 0.5-1 часа), медленный температурный дрейф, как правило, не доставляет беспокойств.
    Другие факторы, влияющие на точность временной привязки, рассмотрим на примере быстрых дискриминаторов, использующих различные методы хронирования.

Привязка по переднему фронту импульса
(Leading-Edge Timing)

Рис. 1. Входные и выходные импульсы в методе привязки по переднему фронту.

Привязка по переднему фронту импульса осуществляется с помощью порогового устройства, которое срабатывает при достижении входным сигналом определенного уровня (уровня дискриминации). В результате генерируется логический импульс, фиксирующий момент появления сигнала, и, соответственно, момент регистрации события детектором (см. рис. 1). Понятно, что импульсы большей амплитуды будут пересекать уровень дискриминации раньше, чем импульсы меньшей амплитуды. Кроме того, дополнительную временную неопределенность вносит зарядовая чувствительность порогового устройства. Для срабатывания порогового устройства необходимо накопление определенного заряда, который опять же будет быстрее накапливаться при поступлении сигналов большей амплитуды, что приводит к дополнительному сдвигу по времени. Временная неопределенность при использовании привязки по переднему фронту в первую очередь зависит от динамического диапазона входных импульсов, и поэтому уровень дискриминации стараются установить как можно ниже, но конечно выше уровня шумов. Если динамический диапазон невелик, т.е. на вход устройства поступают сигналы приблизительно одинаковой амплитуды, на точность временной привязки начинают сказываться другие факторы - шумы, а для ФЭУ и статистические флуктуации количества фотоэлектронов и некоторые другие.

Рис. 2. Влияние шумов на точность временной привязки.

На рис. 2 проиллюстрировано влияние шумов на точность временной привязки. Если амплитуда шумов, которые налагаются на сигнал равна A_n, а крутизна фронта сигнала в точке пересечения с уровнем дискриминации (dV/dt)|_t=T, то временная неопределенность, связанная с шумами будет

T = A_n/(dV/dt)|_t=T.

(1)

Таким образом, если диапазон амплитуд мал, минимальная временная неопределенность будет достигаться при уровне дискриминации, соответствующем области максимальной крутизны фронта импульса детектора. Для сцинтилляционных детекторов оптимум находится в диапазоне 10% - 40% амплитуды анодного импульса. Уменьшать шумы фильтрами низких частот не имеет смысла, так как при этом крутизна фронта обычно уменьшается быстрее, чем амплитуда шумов. Соответственно временная неопределенность будет только расти. Таким образом, лучше всего сохранить короткие фронты импульсов.
Когда диапазон амплитуд велик, вместо привязки по переднему фронту лучше использовать другие методы.
Когда привязка по переднему фронту используется с германиевыми детекторами, временная неопределенность сравнима со временем сбора зарядов в детекторе, которое довольно велико и сильно варьируется.

Привязка по нулю биполярного импульса
(Crossover Timing)

Рис. 3. Биполярные импульсы разной амплитуды.

В этом методе временная метка получается фиксацией момента пересечения нулевого уровня биполярным сигналом. Момент пересечения нуля сигнала почти не зависит от его амплитуды. Таким образом, устройства, использующие этот способ временной привязки, могут работать в существенно более широком динамическом диапазоне, чем при использовании привязки по переднему фронту. Основным фактором, определяющим временную неопределенность, здесь являются шумы. Шумы вносят заметный вклад во временную неопределенность при работе с германиевыми и кремниевыми детекторами и фотодиодами. Кроме того, в этом методе сохраняется зависимость момента пересечения нуля от формы сигнала детектора. Однако этот недостаток может стать преимуществом. Это свойство используется, например, в системах n- дискриминации и режекции наложений.

Метод следящего порога
(Constant-Fraction Timing)

Рис. 4. Формирование сигналов в CF-дискриминаторе.

Как следует из соотношения (1), для данной формы импульса, поступающего на схему временной привязки, существует оптимальный для точности временной привязки уровень дискриминации, когда крутизна фронта импульса максимальна, что происходит, когда сигнал достигает определенной части амплитуды. Этот уровень различен для импульсов разной амплитуды. Таким образом, если для каждого импульса устанавливать свой порог, можно добиться оптимальных результатов. Эти соображения привели к разработке метода, который в русской литературе получило название дискриминации со следящим порогом. На самом деле изменяется не порог, а привязка осуществляется к нулю определенным образом сформированного биполярного импульса.
Входной сигнал с амплитудой V распараллеливается по двум плечам. В одном он задерживается на время t_d, в другом инвертируется и ослабляется (-fV). Затем эти сигналы складываются. В результате формируется биполярный сигнал, пересечение нуля которым служит для получения временной отметки (см. рис.4). Коэффициент ослабления f определяет долю амплитуды (фракцию), оптимальную для таймирования сигналов данного детектора. Время задержки выбирается так, что

t_d > t_r(1 - f),

(2)

где t_r - время нарастания фронта входного сигнала. Время пересечения нуля определяется соотношением

t_CF = t_d + ft_r.

(3)

Входной сигнал также поступает на дискриминатор по переднему фронту, который препятствует генерации хронирующего импульса в случае срабатывания чувствительной схемы детектора нуля от шумовых сигналов.
Использование обычного CF-дискриминатора позволяет избавиться от амплитудной зависимости временной привязки (импульсы A и B), но зависимость от разброса времени сбора зарядов в детекторе остается. Время пересечения нуля для импульсов B (t₁) и C (t₂) различно.

Дискриминатор со следящим порогом и компенсацией времени нарастания импульса
(Amplitude and Risetime Compensated timing)

Рис. 5. Сигналы в CF-дискриминаторе с компенсацией амплитуды и времени нарастания сигнала

    В больших германиевых детекторах время сбора зарядов может существенно различаться. Соответственно будут различаться и длительности передних фронтов импульсов, поступающих на схему временной привязки (см. рис. 4 и 5). Наибольшее время сбора зарядов, проиллюстрированное импульсом C на рисунках вызвано гамма-квантами, которые образуют электронно-дырочную пару вблизи одного из электродов. В этом случае один из носителей должен преодолеть все расстояние между электродами. Минимальное время сбора зарядов (импульсы A и B) соответствует случаю, когда электронно-дырочная пара образуется на одинаковом расстоянии от электродов. В этом случае и электроды, и дырки должны преодолеть в два раза меньший путь. Соответственно время сбора будет приблизительно в два раза меньше, чем в случае C. Максимальное время сбора для различных германиевых детекторов варьируется от 50 нс в тонких планарных детекторах до 600 нс в толстых коаксиальных детекторах.
    Два фактора определяют временное разрешение при работе с германиевыми детекторами гамма-квантов: соотношение уровня шумов и крутизны фронта (см. (1)) и разброс времени сбора зарядов в детекторе. Влияние первого фактора в рассмотренном выше CF-дискриминаторе сведено к минимуму. Влияние второго остается.
    Для минимизации эффекта разброса времени сбора в германиевых детекторах была предложена модификация CF-дискриминации - ARC timing (Amplitude and Risetime Compensated timing). В этом методе влияние разброса времени сбора на точность хронирования уменьшается за счет некоторого увеличения влияния на него шумов. Следящий порог   выставляется так же, как и в стандартном CF-методе (20%-30% от амплитуды), при этом задержка t_d заметно уменьшается и устанавливается равной приблизительно 30% от минимального времени нарастания.

t_d < t_rmin(1 - f),

(4)

где t_rmin - минимальное время нарастания входного импульса. Как видно из рис. 5, сформированные таким образом биполярные сигналы для всех трех импульсов A, B и С пересекают нулевую линию одновременно, несмотря на различные амплитуды и времена нарастания. Положение нулевой точки определяется соотношением

t_ARC = t_d/(1 - f).

(5)

Эффективная фракция амплитуды f_eff,к которой осуществляется временная привязка в ARC-методе, в случае линейных фронтов определяется соотношением

f_eff = ft_d/t_r(1 - f)

(6)

и всегда меньше f.
    Все было бы хорошо, если бы крутизна фронта для каждого сигнала была постоянной. Однако это справедливо только для сигналов с минимальными и максимальными длительностями фронтов. Реальные сигналы планарных германиевых детекторов в начале имеют максимальную крутизну, которая скачком уменьшается раза в два, как только один из носителей (электрон или дырка) достигает электрода. В коаксиальных германиевых детекторах передний фронт импульса может быть как выпуклым, так и вогнутым или смесью этих форм. Таким образом, ARC-метод не может полностью компенсировать вариацию времени нарастания, для сигналов, крутизна которых меняется до момента пересечения нуля. В связи с этим задержку стараются сделать поменьше.
    Несмотря на то, что ARC-метод не позволяет полностью компенсировать влияние времени нарастания импульса на точность временной привязки, он является лучшим методом хронирования при работе с германиевыми детекторами гамма-квантов.
    Сигналы от германиевых детекторов, изготовленных по устаревшим технологиям, могут иметь очень длинные передние фронты, которые связаны с гамма-квантами, образующими электронно-дырочные пары в области слабого поля и медленного сбора зарядов. При наличии такого сигнала детектор нуля может сработать раньше дискриминатора переднего фронта. В результате хронирующий сигнал будет связан по времени не с сигналом детектора нуля, а с сигналом дискриминатора переднего фронта, который и будет определять временной разброс для таких импульсов детекторов. Для улучшения временного разрешения при работе с такими детекторами целесообразно использовать быстрые дискриминаторы, имеющие средства режекции сигналов с длинными фронтами. Конечно, такая режекция уменьшает эффективность регистрации. Не все поглотившиеся в детекторе гамма-кванты будут зарегистрированы.

Временная привязка со следящим порогом к заднему фронту импульса
Trailing-Edge Constant-Fraction Timing

Рис. 6. Формирование сигналов при временной привязке к заднему фронту импульса

    Как уже говорилось, хронирующие сигналы могут быть получены и в "медленных" спектроскопических цепях. Точность временной привязки в этом случае ниже, чем при использовании быстрых усилителей и дискриминаторов. Однако нередко такой точности вполне достаточно.
    Метод временной привязки со следящим порогом к заднему фронту импульса применяется во временных одноканальных анализаторах, которые получают входные сигналы от спектрометрических усилителей. Этот метод может использоваться как с униполярными, так и с биполярными сигналами. Важно, что таймирующий сигнал здесь генерируется после достижением входным сигналом максимума, что хорошо сочетается с другой функцией одноканального анализатора - выделять определенный диапазон амплитуд.
    В этом методе временной привязки входной сигнал с амплитудой V_p "растягивается" по времени расширителем (stretcher). Формируется сигнал с плоской вершиной. Затем он ослабляется, так что уровень его плоской вершины равен (1-f)V_p. В компараторе с ним сравнивается уровень входного сигнала и, когда они сравняются, генерируется таймирующий имульс. Таким образом, время его появления будет соответствовать времени, когда уровень входного сигнала понизится до уровня fV_p. Оптимизация временного разрешения достигается подбором фракции амплитуды f.
    Амплитудная зависимость появления таймирующего импульса в этом методе сведена к минимуму и определяется только зарядовой чувствительностью компаратора. Зависимость от формы входного сигнала остается.

[ОГЛАВЛЕНИЕ]