डिजिटल पल्स प्रोसेसर। संचालन का सिद्धांत

डिजिटल पल्स प्रोसेसर का इस्तेमाल परमाणु उपकरण में व्यापक रूप से किया जाता है और ये एम्पटेक द्वारा बेचे जाने वाले अधिकांश सिस्टम का आधार हैं। एक डिजिटल पल्स प्रोसेसर एक एनालॉग एम्पलीफायर/ड्राइवर के समान कार्य करता है, लेकिन इसके प्रभावी प्रदर्शन लाभ हैं, जिसके कारण इसे उन अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से अपनाया गया है जहाँ सबसे कम शोर और उच्चतम गणना दर की एक साथ आवश्यकता होती है। हालाँकि एक डिजिटल पल्स प्रोसेसर के कार्य एक एनालॉग ड्राइवर के समान ही होते हैं, लेकिन कार्यान्वयन अलग होता है और कुछ अवधारणाएँ और शब्दावली अलग होती हैं। इस एप्लिकेशन नोट का उद्देश्य एनालॉग और डिजिटल ड्राइवर की तुलना करना, उपयोगकर्ताओं को डिजिटल प्रोसेसर को समझने में मदद करना और उनके फायदे और नुकसान को समझाना है।

सरलीकृत आरेख

चित्र 1 और 2 क्रमशः एनालॉग और डिजिटल एम्पलीफायर-शेपर के सरलीकृत योजनाबद्ध आरेख दिखाते हैं । दोनों में एक ही डिटेक्टर और चार्ज-सेंसिटिव प्रीएम्पलीफायर सर्किट होते हैं। दोनों मामलों में, प्रीएम्पलीफायर एक आउटपुट सिग्नल उत्पन्न करता है जिसमें मिलीवोल्ट के आयाम वाले छोटे पल्स (चरण) होते हैं। दोनों मामलों में, प्रीएम्पलीफायर पल्स को विभेदित किया जाता है ताकि वोल्टेज स्टेप को मापा जा सके। एक इंटीग्रेटर (जिसे लो-पास फ़िल्टर भी कहा जाता है) सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करता है। दोनों मामलों में, आउटपुट पल्स को डिजिटाइज़ किया जाता है, और पल्स एम्पलीट्यूड के हिस्टोग्राम को मेमोरी में संग्रहीत किया जाता है। ये मुख्य तत्व दोनों प्रणालियों में समान हैं।

चित्र 1. एक सरल एनालॉग पल्स शेपर (सीआर-आरसी2 शेपर के साथ) का योजनाबद्ध आरेख

चित्र 2. एक “आदर्श” डिजिटल पल्स प्रोसेसर का सरलीकृत आरेख

डिजिटल पल्स प्रोसेसर के संचालन के अधिक विस्तृत अध्ययन पर आगे बढ़ने से पहले, परमाणु इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रयुक्त बुनियादी शब्दों से परिचित होना आवश्यक है; चित्र 3 एकध्रुवीय पल्स का चित्रण दर्शाता है।

चित्र 3. एक विशिष्ट एकध्रुवीय पल्स आकार का चित्रण

पल्स अवधि वह समय है जिसके दौरान पल्स आयाम शून्य नहीं होता है। "शून्य" आयाम के सटीक मान को परिभाषित करने में कठिनाई के कारण, इसे आमतौर पर FWHM (आधे अधिकतम पर पूर्ण चौड़ाई) के रूप में परिभाषित किया जाता है, वह समय जिसके दौरान पल्स आयाम शिखर ऊंचाई के आधे से अधिक या उसके बराबर होता है।

शिखर ऊँचाई - शिखर से आधार रेखा तक मापी गई पल्स की ऊँचाई। शिखर समय - आधार रेखा से शिखर तक पल्स को आकार देने में लगने वाला समय, शेपर एम्प्लीफायर के समय स्थिरांक से संबंधित।

बेसलाइन - किसी ज्ञात घटना से पल्स की अनुपस्थिति में वोल्टेज मान। परमाणु इलेक्ट्रॉनिक्स में, पल्स की ऊंचाई बेसलाइन के सापेक्ष मापी जाती है, जो जरूरी नहीं कि शून्य हो।

बेस-लाइन स्टेबलाइजर (बीएलएस) इसका कार्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों के तापमान और समय के बहाव और उच्च गणना दर के प्रभावों (पृथक कैपेसिटर पर गतिशील बदलाव और परिचालन एम्पलीफायरों के इनपुट चरणों के माइक्रो-हीटिंग) की परवाह किए बिना पल्स आयाम के संदर्भ बिंदु को ठीक करना है।

आइए अब पल्स शेपर के कार्यात्मक आरेख पर विचार करें। चित्र 1 में दिखाया गया एनालॉग सिस्टम चित्र 5 (बाएं) में दिखाए गए पल्स शेपर से कमतर है। विभेदक एक RC हाई-पास फ़िल्टर है। फ्रंट प्रीएम्पलीफ़ायर से होकर गुजरता है, और फिर वोल्टेज समय स्थिरांक T _diff के साथ मूल (बेसलाइन) पर तेजी से घटता है । इंटीग्रेटर एक लो-पास फ़िल्टर है जिसका रिस्पॉन्स टाइम T _int है। कई प्रकार के एम्पलीफायर-शेपर्स (अर्ध-गॉसियन, छद्म-गॉसियन, अर्ध-त्रिकोणीय, आदि) हैं, जो अलग-अलग लो-पास फ़िल्टर का उपयोग करते हैं, विभिन्न एम्पलीफायर-शेपर्स से पल्स आकार चित्र 4 में दिखाए गए हैं।

चित्र 4. विभिन्न एम्प्लीफायर-शेपर्स से प्राप्त पल्स आकृतियों का चित्रण। उनमें से प्रत्येक का आकार देने का समय स्थिरांक 1 µs है, लेकिन इंटीग्रेटर - लो-पास फिल्टर, अलग-अलग ट्रांसफर फ़ंक्शन का उपयोग करते हैं

सामान्य गुण:

आरसी-सीआर: क्रियान्वयन में बहुत सरल, लेकिन सामान्यतः इसका प्रदर्शन खराब होता है, अर्थात शोर, निष्क्रिय समय और स्थिरता।

• द्विध्रुवीय: पल्स ड्रॉडाउन अच्छी बेसलाइन स्थिरता की अनुमति देता है, इसे लागू करना आसान है, लेकिन इसकी पल्स अवधि लंबी होती है और इसके परिणामस्वरूप, एक बड़ा डेड टाइम मान और खराब शोर विशेषताएँ होती हैं
• सेमी-गॉसियन और स्यूडो-गॉसियन: सक्रिय फिल्टर (जटिल ध्रुव जोड़े) का उपयोग करके कार्यान्वित किया जाता है। सक्रिय बेसलाइन पीढ़ी के साथ उपयोग किए जाने पर, वे एनालॉग घटकों का उपयोग करके अच्छा प्रदर्शन प्रदान करते हैं।
• अर्ध-त्रिकोणीय: एनालॉग घटकों में सक्रिय फ़िल्टर का उपयोग करके भी कार्यान्वित किया जाता है। यह इष्टतम प्रदर्शन के लिए "आदर्श" स्थानांतरण फ़ंक्शन के बहुत करीब है, लेकिन अपेक्षाकृत जटिल है।
• समलम्बाकार: डिजिटल प्रसंस्करण का उपयोग करके कार्यान्वित किया गया। यह भी आदर्श के बहुत करीब है, इसमें सीमित आवेग प्रतिक्रिया है और उच्च गणना दरों पर प्रदर्शन में वृद्धि हुई है।

मिश्रित जटिल ध्रुव युग्म का उपयोग करने वाले अधिक परिष्कृत आकार देने वाले एम्पलीफायरों में अधिक सममित आकार के साथ आधार रेखा पर तेजी से वापसी होती है। आम तौर पर पल्स आकार को आकार देने वाले समय विशेषता t के साथ एक गॉसियन द्वारा अनुमानित किया जाता है। अधिकतम वोल्टेज के आधे के बराबर अवधि के साथ, शिखर समय लगभग 2.2t है, लेकिन पूंछ लंबे समय तक बनी रहती है। एक बेसलाइन जनरेटर (BLR) एक बेसलाइन का उत्पादन करता है जिससे प्रत्येक शिखर को मापा जाता है। BLR के बिना, विभेदक से एसी करंट उच्च गणना दरों पर गिर जाएगा, क्योंकि डीसी आउटपुट शून्य होना चाहिए। एनालॉग पीक का पता लगाया जाता है और सर्किट पीक आयाम को पकड़ता है, जिसे फिर डिजिटाइज़ किया जाता है। यह एकल डिजिटल नमूना एक पल्स का प्रतिनिधित्व करता है, इसलिए ADC रैखिक होना चाहिए, लेकिन जरूरी नहीं कि बहुत तेज़ हो, क्योंकि यह केवल पल्स के एक नमूने को डिजिटाइज़ करता है।

चित्र 2 में दिखाए गए "आदर्श" डिजिटल सिस्टम में, प्रीएम्पलीफायर सिग्नल को सीधे एक तेज़ ADC का उपयोग करके डिजिटल किया जाता है। यह एक असतत विभेदक सर्किट का एक विभेदक उपयोग है। सिग्नल को एक लो-पास फ़िल्टर पर भेजा जाता है, जो विभेदक आउटपुट को एकीकृत करता है। "प्रक्रिया" लेबल वाले दो ब्लॉक उन एल्गोरिदम को दर्शाते हैं जो इनपुट सिग्नल पर लागू होते हैं और जो एक डिजिटल प्रोसेसर को दूसरे से अलग करते हैं। सबसे आम लो-पास फ़िल्टर आउटपुट पर एक त्रिकोणीय तरंग उत्पन्न करता है। ट्रेपेज़ॉइडल पल्स को भी आसानी से संश्लेषित किया जाता है, जैसे कि "स्पाइक" जैसी अधिक जटिल आकृतियाँ। मान पहले से ही डिजिटाइज़ किए गए हैं, इसलिए पता लगाया गया डिजिटल पीक हिस्टोग्राम मेमोरी में भेजा जाता है। हिस्टोग्राम मेमोरी एक पारंपरिक मल्टीचैनल आयाम विश्लेषक की तरह काम करती है। जब एक विशेष पीक मान वाला पल्स होता है, तो संबंधित मेमोरी सेल में काउंटर बढ़ जाता है। परिणाम एक सरणी है जिसमें प्रत्येक सेल में संबंधित पल्स मान वाली घटनाओं की संख्या होती है। यह ऊर्जा स्पेक्ट्रम प्रोसेसर का मुख्य आउटपुट है। इंटीग्रेटर आउटपुट को DAC में भी फीड किया जा सकता है, ताकि उपयोगकर्ता ऑसिलोस्कोप पर पल्स देख सके, लेकिन सिस्टम को एनालॉग पल्स वेवफॉर्म उत्पन्न करने की आवश्यकता नहीं है। पल्स शेपर को चित्र 5 (दाएं) में दिखाया गया है।

चित्र 5 बाएँ: एनालॉग पल्स शेपर में पल्स आकृतियाँ। वे एक अर्ध-त्रिकोणीय शेपर के अनुरूप हैं जो त्रिभुज के सबसे करीब जटिल ध्रुवों का उपयोग करते हैं। दाएँ: त्रिकोणीय और समलम्बाकार आकृतियों वाले डिजिटल पल्स प्रोसेसर में पल्स आकृतियाँ।

वास्तविक डिजिटल प्रोसेसर

एक वास्तविक डिजिटल प्रोसेसर में "आदर्श" प्रोसेसर से कई मुख्य अंतर होते हैं। इसके अलावा, डायनेमिक रेंज के कारण, प्रीएम्पलीफायर आउटपुट को सीधे डिजिटाइज़ करना व्यावहारिक नहीं है। प्रत्येक प्रीएम्पलीफायर आउटपुट में एक स्टेप, मिलीवोल्ट एम्पलीट्यूड होता है, जो एक बेसलाइन के साथ चलता है जो कई वोल्ट हो सकता है और समय के साथ बदल सकता है। स्टेप को 10 से 14 बिट्स पर डिजिटाइज़ किया जाना चाहिए, और ऐसा कोई ADC नहीं है जो प्रीएम्पलीफायर आउटपुट डायनेमिक रेंज की सटीकता को आवश्यक गति के साथ जोड़ता हो। इसलिए, प्रीएम्पलीफायर आउटपुट को एक एनालॉग प्री-फ़िल्टर में पास किया जाता है, जो स्टेप को सटीक रूप से डिजिटाइज़ करने की अनुमति देता है। बेसलाइन को हटाने और डिजिटाइज़ेशन से पहले स्टेप को बढ़ाने के लिए कई अलग-अलग तरीकों का इस्तेमाल किया जाता है। इसके अलावा, लो-पास फ़िल्टर या इंटीग्रेटर और पीक डिटेक्शन लॉजिक से लेकर डिफरेंशियेटर के कई कार्यान्वयन हैं।

निष्कर्ष: डिजिटल फ़िल्टरिंग के लाभ और नुकसान

डिजिटल प्रोसेसर के कई मुख्य लाभ हैं, जिन्हें यहाँ सूचीबद्ध किया गया है और नीचे समझाया गया है। डिजिटल पल्स प्रोसेसर में बेहतर प्रदर्शन (एक ही समय में कम शोर और उच्च गिनती दर), विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए अनुकूलन के लिए अधिक लचीलापन, बेहतर स्थिरता और पुनरुत्पादन क्षमता है।

• शोधकर्ताओं ने लंबे समय से परमाणु इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए आदर्श फिल्टर की तलाश की है जो किसी दिए गए काउंट रेट पर सबसे अच्छा सिग्नल-टू-शोर अनुपात देते हैं। एक व्यावहारिक ऑपरेशनल एम्पलीफायर सर्किट में आदर्श ट्रांसफर फ़ंक्शन आसानी से नहीं बनाया जा सकता है, लेकिन एक डिजिटल प्रोसेसर आदर्श के सबसे करीब आता है।
• सिग्नल डिटेक्शन और डिजिटाइजेशन से जुड़ा कोई डेड टाइम नहीं है, इसलिए डिजिटल प्रोसेसर में एनालॉग सिस्टम की तुलना में अधिक थ्रूपुट होता है। इसके अलावा, क्योंकि इसमें एक सीमित आवेग प्रतिक्रिया होती है, इसलिए एलियासिंग और अन्य पल्स ओवरलैप प्रभाव कम हो जाते हैं। डिजिटल प्रोसेसर का प्रदर्शन लाभ विशेष रूप से उच्च गणना दरों पर ध्यान देने योग्य है।
• एनालॉग पल्स प्रोसेसर में, अधिकांश पैरामीटर प्रतिरोधकों और कैपेसिटर द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। एनालॉग सिस्टम में कई अलग-अलग कॉन्फ़िगरेशन पैरामीटर रखना अव्यावहारिक है। डिजिटल सिस्टम में, कई और शेपिंग टाइम कॉन्स्टेंट, BLR पैरामीटर आदि रखना संभव है, ताकि उपयोगकर्ता आसानी से सिस्टम को कार्य की ज़रूरतों के हिसाब से ढाल सके, जिससे ऑपरेटिंग दक्षता में सुधार हो सके।
• चूँकि एनालॉग सिस्टम प्रतिरोधकों और कैपेसिटर पर बना होता है, इसलिए इसकी स्थिरता इन घटकों की स्थिरता और उनकी त्रुटियों द्वारा इसकी पुनरुत्पादकता सीमित होती है। डिजिटल सिस्टम में, स्थिरता और पुनरुत्पादकता बहुत बेहतर होती है क्योंकि उन्हें कई बहुत सटीक स्रोतों से सेट किया जाता है, जैसे कि समय निर्धारित करने के लिए क्वार्ट्ज ऑसिलेटर।

डिजिटल प्रोसेसर के कुछ नुकसान भी हैं । सबसे पहले, यह ज़्यादा बिजली खर्च करता है: उपयुक्त गति और सटीकता वाला ADC कई एनालॉग डिज़ाइनों की तुलना में ज़्यादा बिजली खर्च करता है। दूसरा, यह डिज़ाइन एनालॉग एम्प्लीफायर-शेपर की तुलना में ज़्यादा जटिल है।

डिजिटल फ़िल्टरिंग के लाभ

परिमित आवेग प्रतिक्रिया:

एनालॉग शेपर में, आने वाली पल्स डिफरेंशियेटर से एक एक्सपोनेंशियल टेल उत्पन्न करती है, जिसे शून्य पर लौटने में अनंत समय लगता है। इसे "अनंत आवेग प्रतिक्रिया" या IIR कहा जाता है। आउटपुट एक सीमित समय के बाद नगण्य होता है, लेकिन यह लंबे समय तक शून्य नहीं होता है, आमतौर पर पल्स की नाममात्र "चौड़ाई" से कई गुना अधिक होता है। बाद की पल्स पहले की पल्स की टेल पर "बैठती" हैं। चूंकि हाई-पास फ़िल्टर आउटपुट DC है, इसलिए बेसलाइन काउंट रेट पर शिफ्ट होती है: एक बड़े स्पैन पर, औसत पल्स वैल्यू महत्वपूर्ण होती है और अवधि पर निर्भर करती है, लेकिन इसमें एक छोटा टेल आयाम होता है। इसलिए, एलियासिंग होती है, और बेसलाइन एनालॉग डिफरेंशियेटर के IIR आउटपुट को शिफ्ट करती है। एलियासिंग एक ऐसी घटना है जिसमें दो या अधिक पल्स समय में ओवरलैप होते हैं (चित्र 6)।

चित्र 6. पल्स सुपरपोजिशन का चित्रण

यह आरेख पाँच घटनाओं को दर्शाता है जो यादृच्छिक समय अंतराल पर होती हैं, क्योंकि परमाणु क्षय एक यादृच्छिक प्रक्रिया है। व्यक्तिगत स्पंदों को काली रेखाओं द्वारा हाइलाइट किया गया है, जबकि नीले बिंदु मापे गए ओवरलैपिंग स्पंदों के योग को दर्शाते हैं। बाईं ओर पहला स्पंद, समय में अलग किया गया है और इसका आयाम सही ऊंचाई पर मापा गया है। अगले दो आंशिक रूप से ओवरलैप करते हैं, चोटियों के बीच एक काठी के साथ। दो स्पंदों को रिकॉर्ड किया जाएगा, और पहले में सही स्पंद की ऊंचाई होगी, लेकिन दूसरे स्पंद का आयाम गलत तरीके से मापा जाएगा। दो स्पंदों का ओवरलैप जहां चोटियों के बीच कोई काठी नहीं है, गलत ऊंचाई के साथ एक एकल स्पंद के रूप में दिखाई देता है (वे हल करने योग्य नहीं हैं)। यदि दो ओवरलैप समय में काफी करीब होते हैं, तो परिणामी आयाम व्यक्तिगत स्पंदों का योग होता है।

डिजिटल शेपर में, पल्स की प्रतिक्रिया एक आयताकार विभेदक प्रतिक्रिया होती है: k पल्स के बाद प्रतिक्रिया शून्य हो जाती है। इसमें एक "परिमित आवेग प्रतिक्रिया" (FIR) होती है, जिसका अर्थ है कि किसी भी इनपुट का एक निश्चित समय के बाद शून्य प्रभाव होता है। यह एनालॉग शेपर से मुख्य अंतर है। DPP के इनपुट पर जो कुछ भी होता है, उसका परिणाम एक निश्चित समय के बाद आउटपुट पर शून्य होता है। यह उच्च गणना दरों पर DPP की दक्षता में बहुत सुधार करता है, एलियासिंग और बेसलाइन शिफ्ट आदि को कम करता है।

फ्लैट टॉप बहाली

एनालॉग शेपर में, प्रीएम्पलीफायर प्रोसेस किए जा रहे सिग्नल का तेज़ उदय और सपाट शीर्ष प्रदान करता है। विभेदक पल्स को पास करता है, लेकिन फिर तुरंत क्षय होना शुरू हो जाता है। यदि फ्रंट धीरे-धीरे बढ़ता है, तो इसका आकार देने का समय तेजी से घटता है और पल्स पूरे आयाम तक नहीं पहुंचते हैं, जैसा कि चित्र 7 (बाएं) में दिखाया गया है। प्रत्येक एक्स-रे डिटेक्टर में चार्ज संग्रह समय होता है, लेकिन पल्स आकार देने का समय इतना लंबा होता है कि चार्ज संग्रह समय को अनदेखा किया जा सकता है। एम्पटेक 6 मिमी2 ^{सिलिकॉन} डिटेक्टर जैसे प्लानर डिटेक्टर में, इलेक्ट्रॉनों (छिद्रों) को 500 मिमी के कमी क्षेत्र को पार करने में 0.1 (0.3) एमएस लगते हैं। एक्स-रे प्रवेश गहराई के आधार पर, प्रीएम्पलीफायर में उत्पादित धारा की अवधि 0.1 से 0.3 एमएस तक होती है। यदि टी _{फ्लैट} < 0.3 एमएस के साथ एक पल्स आकार का उपयोग किया जाता है, तो केवल चार्ज का एक अंश मापा जाएगा। वृद्धि समय के साथ पल्स ऊंचाई की हानि को बैलिस्टिक घाटा कहा जाता है और जब वृद्धि समय एक पल्स से दूसरे पल्स में भिन्न होता है तो यह रिज़ॉल्यूशन को प्रभावित करता है।

चित्र 7. एनालॉग (बाएं) और डिजिटल (दाएं) शेपर के लिए आउटपुट विभेदक का योजनाबद्ध आरेख

इस उदाहरण में, पीक टाइम 4.8 µm सेकंड है, 500 ns राइज़ टाइम पल्स हाइट में 0.5% की कमी लाता है। समस्या इसलिए होती है क्योंकि एनालॉग "डिफरेंशियेटर" वास्तविक डेरिवेटिव फ़ंक्शन प्राप्त नहीं करता है और इसलिए एक फ्लैट टॉप नहीं बनाता है। डिजिटल डिफरेंशियेटर का लाभ यह है कि यह वास्तव में डिजिटल डेरिवेटिव के डिफरेंशिएशन को लागू करता है, इसलिए एक वास्तविक फ्लैट टॉप प्राप्त होता है, जैसा कि चित्र 7 (दाएं) में देखा जा सकता है। फ्रंट और फ्लैट टॉप का आकार पल्स प्रीएम्पलीफायर जैसा ही है। इसलिए, डिजिटल प्रोसेसर बैलिस्टिक घाटे से सुरक्षित है और इसकी फ्लैट टॉप अवधि कई गुना कम है।

सिलिकॉन ड्रिफ्ट डिटेक्टर (SDD) में, चार्ज संग्रह समय में भी अंतर होता है। भौतिक तंत्र प्लानर डिटेक्टर से अलग है और वृद्धि समय इलेक्ट्रोड संरचना के विवरण पर निर्भर करता है, वोल्टेज ऑफसेट है, लेकिन सभी SSD अलग-अलग चार्ज संग्रह समय दिखाते हैं। चित्र 8 एम्पटेक SSD के साथ प्राप्त तरंगों को दर्शाता है। हरे रंग की तरंग 40 से 200 ns के वृद्धि समय के साथ प्रीएम्पलीफायर को दर्शाती है (धीमी गति से बढ़ने वाली पल्स विद्युत रूप से सक्रिय क्षेत्र के बाहरी किनारे के पास होती हैं)।

चित्र 8. पल्स राइज़ टाइम माप को दर्शाने वाले ऑसिलोस्कोप ट्रेस। हरा ट्रेस प्रीएम्पलीफ़ायर आउटपुट दिखाता है, नीला ट्रेस ADC इनपुट दिखाता है, और गुलाबी ट्रेस 100 ns पीक और 50 ns फ़्लैट टॉप समय के लिए धीमा चैनल दिखाता है।

बैलिस्टिक डेफिसिट प्रभाव वाले स्पेक्ट्रा चित्र 9 में दिखाए गए हैं। ये प्लॉट कम गिनती पर और बाहरी कोलिमेशन के बिना 55Fe स्रोत का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे। बाईं ओर का प्लॉट T _पीक = 0.1 ms और T _{फ्लैट} 0.025 से 0.2 ms के अनुरूप है। एक लंबा T _{फ्लैट} एक संकरी चोटी की ओर ले जाता है। दाईं ओर का प्लॉट T _{पीक = 0.4 ms और T फ्लैट} की समान सीमा के अनुरूप है। एक बड़े T _पीक के मामले में , एक छोटा T _{फ्लैट} समय भी बैलिस्टिक घाटे में कमी की ओर ले जाता है।

चित्र 9. DP5 25mm2 Amptek SDD के साथ Tpeak = 100 ns (बाएं) और 400 ns (दाएं) के अनुरूप स्पेक्ट्रा

बैलिस्टिक घाटे के बारे में क्या किया जा सकता है?

• _{टी पीक} और टी _{फ्लैट} बढ़ाएँ । इससे रिज़ॉल्यूशन में सुधार होगा लेकिन अधिकतम गिनती दर कम हो जाएगी। टी _पीक > 2 एमएस के लिए, एम्पटेक टी _{फ्लैट} > 0.2 एमएस की सिफारिश करता है क्योंकि इसका थ्रूपुट पर कोई बड़ा प्रभाव नहीं पड़ता है।

• बायस वोल्टेज बढ़ाएँ। इससे राइज़ टाइम आधा रह जाएगा;

• एक बाहरी कोलिमेटर का उपयोग किया जाना चाहिए। यदि प्रवाह काफी अधिक है, तो एम्पटेक मिनी-एक्स का उपयोग करना बेहतर है;

• सिद्धांत रूप में, धीमी घटनाओं को रोकने के लिए डिटेक्टर के थर्मल प्रतिरोध का उपयोग किया जा सकता है। इस विधि को इलेक्ट्रॉन कोलिमेशन कहा जाता है क्योंकि यह प्रभावी रूप से सक्रिय क्षेत्र को कम करता है;

• स्पेक्ट्रम पर बैलिस्टिक घाटे को संभालने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करें।

उपरिशायी

आर

चित्र 10 में तीन अलग-अलग पल्स शेपर्स से आउटपुट पल्स वेवफॉर्म दिखाए गए हैं, सभी को आधे अधिकतम पर पूरी चौड़ाई पर मापी गई समान पल्स चौड़ाई देने के लिए समायोजित किया गया है। लाल ट्रेस सरलतम शेपर, एक एनालॉग RC-CR का आउटपुट दिखाता है। नीला ट्रेस एक उच्च-स्तरीय एनालॉग शेपर, एक अर्ध-त्रिकोणीय शेपिंग एम्पलीफायर, से वेवफॉर्म दिखाता है, जो लो-पास फ़िल्टरिंग के 6 ध्रुवों (तीन जटिल पोल जोड़े) का उपयोग करता है। काला ट्रेस एक डिजिटल ट्रेपोजॉइड शेपर से है। ध्यान देने योग्य सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि हालांकि FWHM पर उनकी पल्स चौड़ाई समान होती है, डिजिटल शेपर कोई ओवरलैप नहीं दिखाएगा यदि दो पल्स (t _पीक + t _{फ्लैट} ) से अधिक अलग होते हैं।

चित्र 10. तीन अलग-अलग पल्स शेपर्स में उत्पन्न पल्स को दर्शाने वाला ग्राफ। सभी की पल्स चौड़ाई मूलतः एक जैसी है, जिसे FWHM द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है।

डिजिटल शेपर के दो फायदे हैं। पहला, डिजिटल शेपर में एलियासिंग कम होती है (यहां तक कि एक ही FWHM के साथ भी)। दूसरा, डिजिटल सिस्टम में स्पष्ट एलियासिंग समय होता है: पल्स की समरूपता के कारण, एक निश्चित समय के बाद कोई एलियासिंग नहीं होती है। एनालॉग शेपर को पीक टाइम से कहीं ज़्यादा लंबे अंतराल के एलियासिंग रिजेक्शन का इस्तेमाल करना चाहिए। पल्स शेपिंग के कारण बैंडविड्थ, यानी डेड टाइम कम हो जाता है, जो एनालॉग सिस्टम में लंबा होता है। इसलिए, एनालॉग शेपर की तुलना में, डिजिटल सिस्टम में एलियासिंग कम और बैंडविड्थ ज़्यादा होती है।

पाइलअप रिजेक्शन (PUR) के साथ कई मुद्दे हैं। सबसे पहले, PUR केवल तभी काम करता है जब T _{फ़ास्ट} < T _{पीक हो} । दूसरा, अगर T _{फ़ास्ट T पीक} से थोड़ा कम है , तो कोई पाइलअप रिजेक्शन नहीं होगा। उदाहरण के लिए, T पीक = 100 ns और T फ़्लैट = 12 ns के साथ, वास्तविक डेड टाइम ~ 140 ns है। T _{फ़ास्ट} = 50 ns के साथ, फ़ास्ट चैनल में पल्स की एक जोड़ी के बीच रिज़ॉल्यूशन ~ 100 ns है। इस मामले में, PUR केवल 100 और 140 ns के बीच पिछड़ने वाले पल्स को अस्वीकार करता है। तीसरा, अगर T _{फ़्लैट} < T _{फ़ास्ट है} , तो "योग पीक" वास्तव में पीक नहीं होगा, बल्कि इसका आकार काफी जटिल होगा। चित्र 11 इस मामले को दर्शाता है।

चित्र 11. स्पेक्ट्रम, पल्स हिस्टोग्राम ओवरलैप को अस्वीकार करते समय फ्लैट टॉप की अवधि को दर्शाता है।

ये मान T _पीक = 0.4 ms पर प्राप्त किये गये थे। नारंगी स्पेक्ट्रम उपनाम अस्वीकृति अक्षम करके प्राप्त किया गया है। धूसर भरा स्पेक्ट्रम T फ्लैट = 0.2 ms के लिए PUR सक्षम दिखाता है। अन्य स्पेक्ट्रा छोटे T _{फ्लैट} मानों पर प्राप्त किये जाते हैं। बैलिस्टिक डेफिसिट की समस्या को T _{फ्लैट} > 100 ns पर सबसे अच्छा हल किया जाता है, यह उपनाम अस्वीकृति सक्षम होने पर आर्टिफैक्ट संचय को कम करने में भी मदद करता है। Amptek इन प्रभावों को कम करने में मदद के लिए T फ्लैट > 100 ns, और T फ्लैट > 200 ns का उपयोग T पीक > 2 ms या इसके आसपास के लिए करने की सलाह देता है। नीला स्पेक्ट्रम T फ्लैट = 75 ns के लिए है _। जब _{फ्लैट} अवधि _{उपनाम अस्वीकृति अंतराल} से कम होती है, तो पल्स एक दूसरे को ओवरलैप कर सकते हैं, लेकिन उनके परिणामस्वरूप एक संयुक्त पीक नहीं बनता है। हरा और लाल स्पेक्ट्रम T फ्लैट = 25 और 50 ns के लिए

ऑसिलोग्राम (चित्र 12) पर, पल्स का आकार समय में स्थानांतरित दो ट्रेपेज़ॉइड के योग के बराबर होता है। यदि दो घटनाएँ फ्लैट टॉप की अवधि से अधिक समय तक अलग होती हैं, तो शिखर का आयाम घटनाओं के बीच की देरी पर रैखिक रूप से निर्भर करता है। यदि देरी फ्लैट टॉप की अवधि से कम है, तो ग्राफ पर शिखर मानों का योग प्राप्त होता है।

चित्र 12. पल्स ओवरलैप्स को दर्शाने वाले ऑसिलोग्राम। गुलाबी ट्रेस ADC इनपुट है। हल्का नीला ट्रेस जेनरेटेड आउटपुट है (पीक टाइम 2.4 ms)। नीला ट्रेस "ICR" सिग्नल है जो दर्शाता है कि पल्स को फास्ट चैनल में डिटेक्ट किया गया था।

शोर अनुपात करने के लिए संकेत

स्पेक्ट्रोमेट्रिक एम्पलीफायर का मुख्य कार्य विकिरण डिटेक्टरों से आने वाले संकेतों के आयाम मूल्यों को रैखिक रूप से संचारित करना है। इस मामले में, संकेतों के आकार को बदलने की अनुमति है। इसका मतलब यह है कि एम्पलीफायर के फ़िल्टरिंग सर्किट को इस तरह बनाया जा सकता है कि संकेतों का मुख्य स्पेक्ट्रम उनके माध्यम से गुजरता है, और शोर स्पेक्ट्रम जितना संभव हो उतना सीमित होता है। इस मामले में, हमें इष्टतम सिग्नल-टू-शोर अनुपात मिलता है। इष्टतम फ़िल्टर के आउटपुट पर सिग्नल में दो प्रतिच्छेदित वक्रों का आकार होता है। ऐसा फ़िल्टर सबसे अच्छा सिग्नल-टू-शोर अनुपात प्रदान करता है। वास्तविक फ़िल्टर, एक नियम के रूप में, अन्य विशेषताएं रखते हैं, और उनका सिग्नल-टू-शोर अनुपात खराब होता है। शोर अतिरिक्त अनुपात K _n.sh = ƞ∞/ ƞ का उपयोग करके फ़िल्टर की तुलना करना सुविधाजनक है _, इस शर्त के तहत गणना की जाती है कि धारावाहिक और समानांतर शोर की तीव्रता समान है, और आउटपुट सिग्नल का आयाम एकता के लिए सामान्यीकृत है।

तालिका 1. कुछ शेपिंग सर्किट के शोर अतिरिक्त कारक और पल्स आकार

शोधकर्ताओं ने लंबे समय से निष्कर्ष निकाला है कि एक निश्चित पल्स अवधि के लिए, जब सीरियल शोर प्रमुख होता है, तो इष्टतम सिग्नल-टू-शोर अनुपात एक नियमित त्रिभुज के रूप में एक पल्स द्वारा प्रदान किया जाता है, और जब समानांतर शोर प्रमुख होता है तो "स्पाइक" के रूप में होता है। सीरियल शोर इलेक्ट्रॉनिक शोर है जो डिटेक्टर के साथ उपयोग किए जाने वाले घटकों से उत्पन्न होता है। एक नियम के रूप में, शोर प्रीएम्पलीफायर में वोल्टेज से मेल खाता है और मुख्य रूप से प्रीएम्पलीफायर के इनपुट चैनल में शोर से उत्पन्न होता है। समानांतर शोर इलेक्ट्रॉनिक शोर है जो डिटेक्टर के साथ समानांतर में जुड़े घटकों से उत्पन्न होता है। एक नियम के रूप में, यह मुख्य रूप से डिटेक्टर और समानांतर प्रतिरोधों में थर्मल शोर से उत्पन्न होता है।

एनालॉग शेपर्स त्रिभुज का अनुमान लगाते हैं, लेकिन एक डिजिटल प्रोसेसर में इस आदर्श के बहुत करीब एक ट्रांसफर फ़ंक्शन होता है। विकिरण पहचान प्रणाली के लिए समतुल्य शोर फ़्लोर को किसी दिए गए पीक समय t _पीक के लिए सीरियल और समानांतर शोर जनरेटर, As और Ap के लिए शोर सूचकांक द्वारा चिह्नित किया जाता है । शोर को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

जहाँ L _लीक डिटेक्टर के माध्यम से लीकेज करंट है, R _p डिटेक्टर के साथ समानांतर प्रतिरोध है, C _in कुल इनपुट कैपेसिटेंस है, g _m फील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर की प्रवेश क्षमता है और e _पीक 1/f शोर है। मुख्य बिंदु शोर सूचकांक Ap और As है जो ड्राइवर एम्पलीफायर के विवरण पर निर्भर करता है।

नीचे दी गई तालिका चित्र 9 में दिखाए गए समान तीन सामान्य कंडीशनिंग एम्पलीफायरों के लिए शोर सूचकांक और FWHM पल्स चौड़ाई दिखाती है। यदि पीक समय स्थिर है, तो ट्रेपेज़ॉइडल और गॉसियन में समान समानांतर शोर सूचकांक होता है, लेकिन डिजिटल में कम सीरियल शोर सूचकांक होता है और गॉसियन की अवधि अधिक होती है, जिससे अधिक अलियासिंग होती है। इस तुलना में सावधान रहना चाहिए, क्योंकि पीक समय वास्तव में मुख्य पैरामीटर नहीं है। चित्र 9 में, सभी पल्स का पीक समय समान है, लेकिन अवधि अलग-अलग है। पल्स की चौड़ाई जितनी लंबी होगी, उतनी ही अधिक अलियासिंग होगी, यहां तक कि एक ही पीक समय के साथ भी। एक इष्टतम फ़िल्टर खोजने की समस्या भी है जो स्पेक्ट्रोमेट्रिक पल्स के प्रकट होने से पहले एक सीमित समय अंतराल में न्यूनतम शोर त्रुटि के साथ बेसलाइन ऑफ़सेट की गणना करने, इसे संग्रहीत करने और सिग्नल, शोर और डीसी ऑफ़सेट के सुपरपोजिशन से इसे घटाने की अनुमति देता है। मुख्य बिंदु यह है कि अपने वास्तविक ट्रेपेज़ॉइड के साथ डिजिटल पल्स प्रोसेसर में तुलनात्मक एनालॉग शेपर्स की तुलना में कम शोर सूचकांक और एक संकीर्ण समय-डोमेन चौड़ाई होती है। इसलिए, यह एक साथ इलेक्ट्रॉनिक शोर और अलियासिंग को कम करता है।

तालिका 2. तीन सामान्य शेपर एम्पलीफायरों के लिए शोर सूचकांक और पल्स चौड़ाई (एफडब्ल्यूएचएम)

मल्टी-चैनल पल्स एम्पलीट्यूड एनालाइजर (MCA)। बैंडविड्थ

एनालॉग सिस्टम में डेड टाइम के दो स्रोत हैं: कुछ पल्स खो सकते हैं (पता नहीं चल पाता) क्योंकि (ए) पल्स समय में ओवरलैप होते हैं, या (बी) पीक का पता चल जाता है लेकिन डिजिटल कनवर्टर व्यस्त होता है। अधिकांश मल्टीचैनल आयाम विश्लेषक एडीसी का उपयोग करते हैं जो केवल माइक्रोसेकंड लंबे होते हैं, लेकिन भले ही एनालॉग पल्स समय में ओवरलैप न हों, डिजिटल कनवर्टर के डेड टाइम के कारण गिनती खो जाएगी। एक डिजिटल प्रोसेसर में, पीक के नमूने के साथ जुड़ा कोई डेड टाइम नहीं होता है। संपूर्ण पल्स तरंग पहले से ही उच्च गति पर डिजिटल हो चुकी है, मान लीजिए 20 मेगाहर्ट्ज। हिस्टोग्राम मेमोरी को अपडेट करने के लिए कुछ क्लॉक साइकिल की आवश्यकता होगी, लेकिन यह नगण्य है।

रैखिकता

एनालॉग सिस्टम में, ADC की गैर-रैखिकता का सिस्टम की गैर-रैखिकता पर बहुत बड़ा प्रभाव पड़ता है। चूंकि मल्टी-चैनल पल्स एम्पलीट्यूड एनालाइजर एक ही पीक ऊंचाई माप करता है, इसलिए ADC चरणों के आकार में कोई भी गैर-रैखिकता गैर-रैखिक पल्स ऊंचाई माप में परिणत होगी। गैर-रैखिकता को सुचारू करने के लिए एक सामान्य ADC दृष्टिकोण पल्स में यादृच्छिक संख्याएँ जोड़ना, उसे डिजिटाइज़ करना और फिर यादृच्छिक संख्याओं को घटाना है। परिणाम कई ADC कोड हैं जिनका उपयोग एकल पल्स ऊंचाई के वोल्टेज को मापने के लिए किया जाता है। एक डिजिटल सिस्टम में, प्रत्येक पल्स ऊंचाई कई अलग-अलग ADC मापों का योग है, जो अनिवार्य रूप से कई अलग-अलग ADC कोड का उपयोग करते हैं। यह डिजिटल सिस्टम को बहुत बेहतर रैखिकता प्रदान करता है।

विन्यासक्षमता.

एनालॉग पल्स प्रोसेसर में, अधिकांश पैरामीटर प्रतिरोधकों और कैपेसिटर द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, छद्म-गॉसियन शेपर में, आकार देने का समय चौदह प्रतिरोधकों और कैपेसिटर के एक सेट द्वारा निर्धारित किया जाता है। चार आकार देने वाले समय स्थिरांक वाले एक एनालॉग एम्पलीफायर शेपर को इन सभी घटकों के चार अलग-अलग सेटों की आवश्यकता होगी। एनालॉग सिस्टम में कई अलग-अलग कॉन्फ़िगरेशन पैरामीटर रखना अव्यावहारिक है।

डिजिटल सिस्टम में, आकार देने का समय डिजिटल विलंब चक्रों की संख्या और संचायक में सेट किया जाता है। टाइम शेपर और 20 मेगाहर्ट्ज क्लॉक, 50 ns के स्टेप साइज के बीच स्विच करना आसान है, जिससे बहुत बढ़िया समायोजन होता है। एनालॉग सर्किट में ऐसे प्रोसेसिंग विकल्प संभव नहीं हैं। उदाहरण के लिए, कुछ डिजिटल प्रोसेसर पल्स-बाय-पल्स के आधार पर पीक टाइम को एडजस्ट करते हैं: अगर दो पल्स के बीच का अंतराल छोटा है, तो एक छोटा पीक टाइम इस्तेमाल किया जाता है, जिससे थोड़ा शोर तो होता है, लेकिन एलियासिंग और काउंट लॉस खत्म हो जाता है। डिजिटल सिस्टम में, कई और पैरामीटर और कॉन्फ़िगरेशन विकल्प आसानी से प्राप्त किए जा सकते हैं। इन पैरामीटर में न केवल शेपिंग टाइम, बल्कि बेसलाइन रिकवरी पैरामीटर, एलियास रिजेक्शन पैरामीटर आदि भी शामिल हैं। डिजिटल सिस्टम में कई और कॉन्फ़िगरेशन पैरामीटर होते हैं, इसलिए उपयोगकर्ता सिस्टम को समस्या की ज़रूरतों के हिसाब से आसानी से अनुकूलित कर सकता है, जिससे काम की दक्षता बढ़ जाती है।

स्थिरता और विश्वसनीयता.

चूंकि एनालॉग सिस्टम प्रतिरोधकों और कैपेसिटर पर आधारित है, इसलिए इसकी स्थिरता इन घटकों की स्थिरता और उनकी त्रुटियों की पुनरुत्पादकता द्वारा सीमित है। प्रतिरोधकों और कैपेसिटर का तापमान गुणांक तापमान ढाल के विकास और गठन का कारण बनता है। प्रतिरोधकों और कैपेसिटर के बीच की त्रुटियाँ एक विन्यास से दूसरे विन्यास में जाने पर नाममात्र समान पल्स आकृतियों के बीच अंतर पैदा करती हैं। लाभ सटीकता आमतौर पर एक पोटेंशियोमीटर के साथ सेट की जाती है और पिछली सेटिंग पर वापस लौटना मुश्किल होता है, और दो प्रणालियों को एक दूसरे से मेल खाने के लिए ठीक करना भी मुश्किल होता है।

डिजिटल सिस्टम में, स्थिरता और दोहराव कुछ बहुत ही सटीक स्रोतों पर निर्भर करता है, जैसे कि समय निर्धारित करने के लिए क्वार्ट्ज ऑसिलेटर। इस मामले में। तापमान बहाव बहुत कम है। दोहराव बहुत बेहतर है। एक डिजिटल सिस्टम में, जहाँ लाभ डिजिटल रूप से सेट किया जाता है, आप पिछले मापदंडों पर बिल्कुल वापस आ सकते हैं। इसके अलावा, FPGAs में विफलता दर कई असतत घटकों की विफलता दर की तुलना में बहुत कम है, उनके सोल्डर किए गए कनेक्शन के साथ।