معالجات النبضات الرقمية. نظرية التشغيل

تُستخدم معالجات النبضات الرقمية على نطاق واسع في الأجهزة النووية وتشكل الأساس لمعظم الأنظمة التي تبيعها شركة Amptek. يؤدي معالج النبضات الرقمية نفس وظائف مكبر الصوت/المحرك التناظري، ولكنه يتمتع بمزايا أداء فعّالة أدت إلى اعتماده على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب أدنى مستوى من الضوضاء وأعلى معدلات العد في نفس الوقت. وعلى الرغم من أن وظائف معالج النبضات الرقمية هي نفسها وظائف المحرك التناظري، إلا أن التنفيذ مختلف وبعض المفاهيم والمصطلحات مختلفة. والغرض من مذكرة التطبيق هذه هو مقارنة المحرك التناظري والرقمي، لمساعدة المستخدمين على فهم المعالجات الرقمية، وشرح مزاياها وعيوبها.

مخططات مبسطة

يوضح الشكلان 1 و2 مخططات مبسطة لمضخم-مشكل تناظري ورقمي على التوالي. وكلاهما لهما نفس الكاشف ودوائر مكبر الصوت المسبق الحساسة للشحنة. في كلتا الحالتين، ينتج مكبر الصوت المسبق إشارة خرج تتكون من نبضات صغيرة (خطوات) بسعة ملي فولت. في كلتا الحالتين، يتم التمييز بين نبضات مكبر الصوت المسبق بحيث يمكن قياس خطوة الجهد. يعمل المُدمِج (يُسمى أيضًا مرشح الترددات المنخفضة) على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في كلتا الحالتين، يتم رقمنة نبضات الخرج، وتخزين مخططات توزيع سعات النبضات في الذاكرة. هذه العناصر الأساسية هي نفسها في كلا النظامين.

الشكل 1. مخطط تخطيطي لمشكل نبضات تناظري بسيط (مع مشكل CR-RC2)

الشكل 2. رسم تخطيطي مبسط لمعالج نبضات رقمي "مثالي"

قبل الانتقال إلى دراسة أكثر تفصيلاً حول تشغيل معالج النبضات الرقمية، من الضروري التعرف على المصطلحات الأساسية المستخدمة في الإلكترونيات النووية؛ يوضح الشكل 3 رسمًا توضيحيًا لنبضة أحادية القطب.

الشكل 3. توضيح لشكل النبضة أحادية القطب النموذجي

مدة النبضة هي الوقت الذي لا تكون فيه سعة النبضة صفرًا. ونظرًا لصعوبة تحديد القيمة الدقيقة لسعة "الصفر"، يتم تعريفها عادةً على أنها FWHM (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى)، وهو الوقت الذي تكون فيه سعة النبضة أكبر من أو تساوي نصف ارتفاع الذروة.

ارتفاع الذروة - ارتفاع النبضة المقاسة من الذروة إلى خط الأساس. وقت الذروة - الوقت المطلوب لتشكيل النبضة من خط الأساس إلى الذروة، وهو مرتبط بثابت الوقت لمضخم التشكيل.

خط الأساس - قيمة الجهد في حالة عدم وجود نبضة من حدث تم اكتشافه. في الإلكترونيات النووية، يتم قياس ارتفاع النبضة نسبة إلى خط الأساس، والذي لا يجب أن يكون بالضرورة صفرًا.

مثبت خط الأساس (BLS) مهمته تثبيت نقطة مرجعية لسعة النبضة بغض النظر عن الانحرافات في درجة الحرارة والوقت للمكونات الإلكترونية وتأثيرات معدل العد العالي (التحولات الديناميكية في المكثفات المنفصلة والتسخين الدقيق لمراحل الإدخال لمكبرات التشغيل).

دعونا الآن نفكر في الرسم التخطيطي الوظيفي لمشكل النبضات. النظام التناظري الموضح في الشكل 1 أدنى من مشكل النبضات الموضح في الشكل 5 (على اليسار). المفرق هو مرشح تمرير عالي RC. يمر الجزء الأمامي عبر مكبر الصوت المسبق، ثم يتناقص الجهد بشكل كبير إلى الأصل (خط الأساس) بثابت زمني T _diff . المتكامل هو مرشح تمرير منخفض بوقت استجابة T _int . هناك العديد من أنواع مشكلي المضخمات (شبه غاوسي، شبه غاوسي، شبه مثلثي، إلخ)، والتي تستخدم مرشحات تمرير منخفض مختلفة، وتظهر أشكال النبضات من مشكلي المضخمات المختلفة في الشكل 4.

الشكل 4. توضيح لأشكال النبضات التي تم الحصول عليها من مكبرات صوت-مشكلات مختلفة. كل منها له ثابت زمن تشكيل ثابت يبلغ 1 ميكروثانية، لكن المكاملات - مرشحات الترددات المنخفضة - تستخدم وظائف نقل مختلفة

الخصائص العامة:

RC-CR: من السهل جدًا تنفيذه، ولكن عادةً ما يكون أداؤه ضعيفًا، مثل الضوضاء والوقت الميت والاستقرار.

• ثنائي القطب: يسمح السحب النبضي باستقرار جيد لخط الأساس، ويسهل تنفيذه، ولكنه يتميز بمدة نبضة طويلة، ونتيجة لذلك، قيمة وقت ميت كبيرة وخصائص ضوضاء رديئة
• شبه غاوسي وشبه غاوسي: تم تنفيذهما باستخدام مرشحات نشطة (أزواج أقطاب معقدة). عند استخدامهما مع توليد خط الأساس النشط، يوفران أداءً جيدًا باستخدام المكونات التناظرية.
• شبه مثلثي: يتم تنفيذه أيضًا باستخدام مرشحات نشطة في المكونات التناظرية. وهو قريب جدًا من دالة النقل "المثالية"، للحصول على الأداء الأمثل، ولكنه معقد نسبيًا.
• شبه منحرف: تم تنفيذه باستخدام المعالجة الرقمية. وهو أيضًا قريب جدًا من المثالي، وله استجابة نبضية محدودة وأداء متزايد بمعدلات عد عالية.

تتمتع مكبرات التشكيل الأكثر تطوراً التي تستخدم زوج أقطاب معقد مختلط بعودة سريعة إلى خط الأساس مع شكل أكثر تناسقاً. عادةً ما يتم تقريب شكل النبضة بواسطة Gaussian مع خاصية وقت التشكيل t. يبلغ وقت الذروة حوالي 2.2t، مع مدة قابلة للمقارنة تبلغ نصف الجهد الأقصى، لكن الذيل يستمر لفترة أطول. ينتج مولد خط الأساس (BLR) خط أساس يتم من خلاله قياس كل ذروة. بدون BLR، سينخفض ​​التيار المتردد من المفرق بمعدلات عد عالية، حيث يجب أن يكون خرج التيار المستمر صفراً. يتم اكتشاف الذروة التناظرية وتلتقط الدائرة سعة الذروة، والتي يتم رقمنتها بعد ذلك. تمثل هذه العينة الرقمية الفردية نبضة، لذلك يجب أن يكون المحول التناظري الرقمي خطيًا، ولكن ليس بالضرورة سريعًا جدًا، لأنه يقوم برقمنة عينة واحدة فقط من النبضة.

في النظام الرقمي "المثالي" الموضح في الشكل 2، يتم تحويل إشارة مكبر الصوت المسبق إلى رقمية مباشرة باستخدام محول تناظري رقمي سريع. وهذا استخدام تفاضلي لدائرة تفاضل منفصلة. يتم إرسال الإشارة إلى مرشح تمرير منخفض، والذي يدمج خرج المفرق. تمثل الكتلتان المسمى "عملية" الخوارزميات التي يتم تطبيقها على إشارات الإدخال والتي تميز معالجًا رقميًا عن آخر. ينتج مرشح التمرير المنخفض الأكثر شيوعًا شكل موجة مثلثية عند الإخراج. يمكن أيضًا تصنيع النبضات شبه المنحرفة بسهولة، وكذلك الأشكال الأكثر تعقيدًا مثل "السنبلة". يتم تحويل القيم بالفعل إلى رقمية، لذلك يتم إرسال الذروة الرقمية المكتشفة إلى ذاكرة الهيستوغرام. تعمل ذاكرة الهيستوغرام كما هو الحال في محلل السعة متعدد القنوات التقليدي. عندما تحدث نبضة بقيمة ذروة معينة، يتم زيادة العداد في خلية الذاكرة المقابلة. والنتيجة هي مصفوفة تحتوي، في كل خلية، على عدد الأحداث بقيمة النبضة المقابلة. هذا الطيف من الطاقة هو الإخراج الرئيسي للمعالج. يمكن أيضًا تغذية خرج المُدمِج إلى محول رقمي إلى تناظري، بحيث يمكن للمستخدم عرض النبضات على منظار الذبذبات، ولكن لا يتعين على النظام إنشاء شكل موجة نبضة تناظرية. يظهر مُشكِّل النبضات في الشكل 5 (على اليمين).

الشكل 5 على اليسار: أشكال النبضات في جهاز تشكيل النبضات التناظري. وهي تتوافق مع جهاز تشكيل شبه مثلثي يستخدم أقطابًا معقدة أقرب إلى المثلث. على اليمين: أشكال النبضات في معالج نبضات رقمي بأشكال مثلثية وشبه منحرفة.

معالج رقمي حقيقي

إن المعالج الرقمي الحقيقي يختلف عن المعالج "المثالي" بعدة نقاط رئيسية. علاوة على ذلك، وبسبب النطاق الديناميكي، فإنه ليس من العملي أن يتم رقمنة خرج مكبر الصوت المسبق بشكل مباشر. كل خرج مكبر صوت مسبق له خطوة، مللي فولت في السعة، تتحرك على طول خط الأساس الذي يمكن أن يكون عدة فولت ويتغير بمرور الوقت. يجب أن يتم رقمنة الخطوة عند 10 إلى 14 بت، ولا يوجد ببساطة محول تناظري رقمي يجمع بين دقة النطاق الديناميكي لخرج مكبر الصوت المسبق والسرعة اللازمة. لذلك، يتم تمرير خرج مكبر الصوت المسبق إلى مرشح مسبق تناظري، مما يسمح برقمنة الخطوة بدقة. يتم استخدام عدة طرق مختلفة لإزالة خط الأساس وتضخيم الخطوة قبل الرقمنة. بالإضافة إلى ذلك، هناك تنفيذات مختلفة للمميز، من مرشح الترددات المنخفضة أو المتكامل، ومنطق اكتشاف الذروة.

الخاتمة: مزايا وعيوب التصفية الرقمية

يتمتع المعالج الرقمي بالعديد من المزايا الرئيسية ، والتي يتم سردها هنا وشرحها أدناه. يتمتع معالج النبض الرقمي بأداء أفضل (ضوضاء منخفضة ومعدل عد مرتفع في نفس الوقت)، ومرونة أكبر للتخصيص للتطبيق المحدد، واستقرار أفضل وإمكانية إعادة الإنتاج.

• لقد سعى الباحثون منذ فترة طويلة إلى إيجاد مرشحات مثالية للاستخدام في الإلكترونيات النووية والتي تعطي أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء بمعدل عد معين. لا يمكن إنتاج دالة النقل المثالية بسهولة في دائرة مكبر تشغيلي عملي، ولكن المعالج الرقمي هو الأقرب إلى المثالية.
• لا يوجد وقت ميت مرتبط باكتشاف الإشارة والرقمنة، لذا فإن المعالج الرقمي يتمتع بمعدل إنتاجية أعلى من النظام التناظري. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنه يتمتع باستجابة نبضية محدودة، يتم تقليل التداخل بين النبضات وتأثيرات التداخل الأخرى. ميزة الأداء للمعالج الرقمي ملحوظة بشكل خاص عند معدلات العد العالية.
• في معالج النبضات التناظري، يتم تحديد معظم المعلمات بواسطة المقاومات والمكثفات. من غير العملي أن يكون هناك العديد من معلمات التكوين المختلفة في النظام التناظري. في النظام الرقمي، من الممكن أن يكون هناك العديد من ثوابت وقت التشكيل ومعلمات BLR وما إلى ذلك، بحيث يمكن للمستخدم بسهولة تكييف النظام مع احتياجات المهمة، مما يحسن كفاءة التشغيل.
• نظرًا لأن النظام التناظري مبني على المقاومات والمكثفات، فإن استقراره محدود بثبات هذه المكونات، وقابليته للتكرار بسبب أخطائها. في النظام الرقمي، يكون الاستقرار وقابلية التكرار أفضل بكثير لأنه يتم ضبطهما من عدة مصادر دقيقة للغاية، مثل مذبذب الكوارتز لضبط الوقت.

هناك عيوب في المعالج الرقمي. أولاً، يميل إلى تبديد المزيد من الطاقة: حيث يبدد المحول التناظري الرقمي ذو السرعة والدقة المناسبتين المزيد من الطاقة مقارنة بالعديد من التصميمات التناظرية. ثانيًا، التصميم أكثر تعقيدًا من مكبر الصوت التناظري.

مزايا الفلترة الرقمية

الاستجابة للنبضة المحدودة:

في جهاز تشكيل تناظري، تنتج النبضة الواردة ذيلًا أسيًا من المميز، والذي يستغرق وقتًا لا نهائيًا للعودة إلى الصفر. وهذا ما يسمى "استجابة النبضة اللانهائية" أو IIR. يكون الناتج مهملاً بعد وقت محدود، لكنه لا يساوي الصفر لفترة طويلة، وعادة ما يكون عدة مرات "عرض" النبضة الاسمي. "تجلس" النبضات اللاحقة على ذيل النبضات السابقة. نظرًا لأن خرج مرشح التمرير العالي هو تيار مستمر، فإن خط الأساس يتحول بمعدل العد: على مدى فترة كبيرة، تكون قيمة النبضة المتوسطة مهمة وتعتمد على المدة، ولكنها تتمتع بسعة ذيل صغيرة. لذلك، يحدث التضليل، ويحول خط الأساس خرج IIR للمميز التناظري. التضليل هو حدث تتداخل فيه نبضتان أو أكثر في الوقت (الشكل 6).

الشكل 6. توضيح لتراكب النبضات

يوضح هذا الرسم البياني خمس حوادث تحدث على فترات زمنية عشوائية، لأن الاضمحلال النووي عملية عشوائية. يتم تسليط الضوء على النبضات الفردية بواسطة الخطوط السوداء، بينما تمثل النقاط الزرقاء مجموع النبضات المتداخلة التي تم قياسها. النبضة الأولى، على اليسار، معزولة في الوقت ويتم قياس سعتها عند الارتفاع الصحيح. تتداخل النبضتان التاليتان جزئيًا، مع وجود سرج بين الذروتين. سيتم تسجيل نبضتين، وستكون الأولى ذات ارتفاع النبضة الصحيح، ولكن سيتم قياس سعة النبضة الثانية بشكل غير صحيح. يظهر تداخل نبضتين حيث لا يوجد سرج بين الذروتين كنبضة واحدة (لا يمكن حلها) بارتفاع خاطئ. إذا حدث التداخلان في وقت قريب بما فيه الكفاية، فإن السعة الناتجة هي مجموع النبضات الفردية.

في جهاز التشكيل الرقمي، تكون الاستجابة للنبضة عبارة عن استجابة تمييز مستطيلة: حيث تنتقل الاستجابة إلى الصفر بعد k نبضة. ولديها "استجابة نبضة محدودة" (FIR)، مما يعني أن أي إدخال له تأثير صفري بعد فترة زمنية محدودة. وهذا هو الاختلاف الرئيسي عن جهاز التشكيل التناظري. فكل ما يحدث عند مدخل DPP يؤدي إلى صفر عند المخرج بعد فترة زمنية معينة. وهذا يحسن بشكل كبير من كفاءة DPP عند معدلات العد العالية، ويقلل من التعرجات وتحول خط الأساس، وما إلى ذلك.

ترميم السطح المسطح

في جهاز تشكيل تناظري، يوفر مكبر الصوت المسبق ارتفاعًا سريعًا وقمة مسطحة للإشارة التي تتم معالجتها. يمرر المفرق النبضة، ولكن يبدأ بعد ذلك في الاضمحلال على الفور. إذا ارتفعت المقدمة ببطء، فإن وقت تشكيلها ينخفض ​​بشكل كبير ولا تصل النبضات إلى السعة الكاملة، كما هو موضح في الشكل 7 (على اليسار). يحتوي كل كاشف للأشعة السينية على وقت تجميع للشحنة، ولكن وقت تشكيل النبضة طويل بما يكفي لتجاهل وقت جمع الشحنة. في كاشف مستوٍ، مثل كاشف ^{السيليكون} Amptek 6 mm2 ، يستغرق الأمر 0.1 (0.3) مللي ثانية حتى تعبر الإلكترونات (الثقوب) 500 مم من منطقة الاستنفاد. اعتمادًا على عمق اختراق الأشعة السينية، تكون مدة التيار الناتج في مكبر الصوت المسبق من 0.1 إلى 0.3 مللي ثانية. إذا تم استخدام شكل نبضة مع T _flat < 0.3 مللي ثانية، فسيتم قياس جزء بسيط فقط من الشحنات. يُطلق على فقدان ارتفاع النبضة مع زمن الارتفاع اسم العجز الباليستي ويؤثر على الدقة عندما يختلف زمن الارتفاع من نبضة إلى أخرى.

الشكل 7. مخطط تخطيطي للمفرق الناتج عن المشكل التناظري (على اليسار) والرقمي (على اليمين)

في هذا المثال، يبلغ زمن الذروة 4.8 ميكرومتر/ثانية، ويؤدي زمن الارتفاع 500 نانوثانية إلى فقدان 0.5% من ارتفاع النبضة. تحدث المشكلة لأن "المفرق" التناظري لا يستقبل دالة المشتق الفعلية وبالتالي لا يشكل قمة مسطحة. تتمثل ميزة المفرق الرقمي في أنه ينفذ في الواقع التمايز بين المشتقات الرقمية، وبالتالي يتم الحصول على قمة مسطحة حقيقية، كما يمكن رؤيته في الشكل 7 (يمين). يكون للواجهة والقمة المسطحة نفس شكل مكبر النبضة المسبق. وبالتالي، يكون المعالج الرقمي محميًا من العجز الباليستي ويكون له مدة قمة مسطحة أقصر عدة مرات.

في كاشف الانجراف السليكوني (SDD)، توجد أيضًا اختلافات في وقت جمع الشحنة. تختلف الآلية الفيزيائية عن الكاشف المستوي ويعتمد وقت الصعود على تفاصيل بنية القطب، ويتم تعويض الجهد، ولكن جميع SSDs تظهر أوقات جمع شحن مختلفة. يوضح الشكل 8 الأشكال الموجية التي تم الحصول عليها باستخدام Amptek SSD. يوضح الشكل الموجي الأخضر مكبر الصوت المسبق، بوقت صعود يتراوح من 40 إلى 200 نانوثانية (تحدث النبضات البطيئة الارتفاع بالقرب من الحافة الخارجية للمنطقة النشطة كهربائيًا).

الشكل 8. مسارات الذبذبات التي توضح قياس زمن ارتفاع النبضة. يوضح المسار الأخضر خرج مكبر الصوت المسبق، ويوضح المسار الأزرق مدخل المحول التناظري الرقمي، ويوضح المسار الوردي القناة البطيئة لزمن الذروة 100 نانوثانية وزمن الذروة المسطحة 50 نانوثانية.

تظهر الأطياف ذات تأثير العجز البالستي في الشكل 9. تم الحصول على هذه المخططات باستخدام مصدر 55Fe عند عدد منخفض وبدون تجميع خارجي. يتوافق المخطط الموجود على اليسار مع _ذروة T = 0.1 مللي ثانية و T _flat من 0.025 إلى 0.2 مللي ثانية. يؤدي T _flat الأطول إلى ذروة أضيق. يتوافق المخطط الموجود على اليمين مع _ذروة T = 0.4 مللي ثانية ونفس نطاق T _flat . في حالة _ذروة T أكبر ، حتى وقت T _flat القصير يؤدي إلى انخفاض في العجز البالستي.

الشكل 9. الأطياف المقابلة لـ Tpeak = 100 ns (يسار) و400 ns (يمين) باستخدام DP5 25mm2 Amptek SDD

ماذا يمكن عمله بشأن العجز الباليستي؟

• قم بزيادة T _peak وT _flat . سيؤدي هذا إلى تحسين الدقة ولكنه سيقلل من معدل العد الأقصى. بالنسبة لـ T _peak > 2 مللي ثانية، توصي Amptek بزيادة T _flat > 0.2 مللي ثانية لأنه لا يؤثر بشكل كبير على الإنتاجية.

• قم بزيادة جهد التحيز. سيؤدي هذا إلى تقليل زمن الارتفاع إلى النصف؛

• يجب استخدام جهاز تجميع خارجي. إذا كان التدفق مرتفعًا بدرجة كافية، فمن الأفضل استخدام Amptek mini-X؛

• من حيث المبدأ، يمكن استخدام المقاومة الحرارية للكاشف لقطع الأحداث البطيئة. تسمى هذه الطريقة تجميع الإلكترونات لأنها تقلل بشكل فعال من المساحة النشطة؛

• استخدم البرامج للتعامل مع العجز الباليستي في الطيف.

تراكب

ر

يوضح الشكل 10 أشكال موجة النبضة الناتجة من ثلاثة مُشكِّلات نبضات مختلفة، تم ضبطها جميعًا لإعطاء نفس عرض النبضة كما تم قياسه بالعرض الكامل عند نصف الحد الأقصى. يُظهر المسار الأحمر خرج أبسط مُشكِّل، وهو RC-CR تناظري. يُظهر المسار الأزرق شكل الموجة من مُشكِّل تناظري متطور، وهو مكبر تشكيل شبه مثلثي، يستخدم 6 أقطاب من الترشيح منخفض التردد (ثلاثة أزواج أقطاب معقدة). المسار الأسود من مُشكِّل شبه منحرف رقمي. أهم شيء يجب ملاحظته هو أنه على الرغم من أن لهما نفس عرض النبضة عند FWHM، فإن المُشكِّل الرقمي لن يُظهر أي تداخل إذا تم فصل النبضتين بأكثر من (t _peak + t _flat ). يحتوي المُشكِّلان التناظريان على ذيول أسيّة تبلغ عدة مرات FWHM. ستتداخل النبضات التي تتداخل خلال هذا الوقت.

الشكل 10. رسم بياني يوضح النبضات التي تم توليدها في ثلاثة أجهزة تشكيل نبضات مختلفة. جميعها لها نفس عرض النبضة بشكل أساسي، والذي يتم تحديده بواسطة FWHM.

هناك ميزتان للتشكيل الرقمي. أولاً، يتمتع التشكيل الرقمي بتشوهات أقل (حتى مع نفس عرض الذروة الكامل). ثانيًا، يتمتع النظام الرقمي بوقت تشوهات واضح: نظرًا لتماثل النبضة، لا يوجد تشوهات بعد وقت ثابت. يجب على التشكيل التناظري استخدام رفض التشوهات لفترة أطول بكثير من وقت الذروة. يتم تقليل النطاق الترددي، أي الوقت الميت، بسبب تشكيل النبضة، وهو أطول في النظام التناظري. لذلك، بالمقارنة مع التشكيل التناظري، يتمتع النظام الرقمي بتشوهات أقل ونطاق ترددي مرتفع.

هناك العديد من المشكلات المتعلقة برفض التراكم (PUR). أولاً، يعمل PUR فقط إذا كانت T _fast < T _peak . ثانيًا، إذا كانت T _fast أقل قليلاً من T _peak ، فلن يحدث رفض للتراكم. على سبيل المثال، مع T peak = 100 ns وT flat = 12 ns، يكون الوقت الميت الفعلي ~ 140 ns. مع T _fast = 50 ns، يكون الدقة بين زوج من النبضات في القناة السريعة ~ 100 ns. في هذه الحالة، يرفض PUR فقط النبضات المتأخرة بين 100 و140 ns. ثالثًا، إذا كانت T _flat < T _fast ، فلن تكون "ذروة المجموع" ذروة في الواقع، ولكن سيكون لها شكل معقد إلى حد ما. يوضح الشكل 11 هذه الحالة.

الشكل 11. يوضح الطيف مدة القمة المسطحة عند رفض تداخلات الهيستوجرام النبضي.

تم الحصول على القيم مع T _peak = 0.4 مللي ثانية. تم الحصول على الطيف البرتقالي مع تعطيل رفض الاسم المستعار. يُظهر الطيف المملوء باللون الرمادي تمكين PUR لـ T flat = 0.2 مللي ثانية. تم الحصول على الأطياف الأخرى بقيم T _flat أقصر . تتم معالجة مشكلة العجز الباليستي بشكل أفضل مع T _flat > 100 ns، وهذا يساعد أيضًا في تقليل تراكم القطع الأثرية عند تمكين رفض الاسم المستعار. توصي Amptek باستخدام T _flat > 100 ns، وT _flat > 200 ns لـ T _peak > 2 ms أو نحو ذلك للمساعدة في تقليل هذه التأثيرات. الطيف الأزرق لـ T _flat = 75 ns. عندما تكون مدة المسطح أقصر من فترة رفض الاسم المستعار، فقد تتداخل النبضات مع بعضها البعض، لكنها لا تؤدي إلى ذروة مشتركة. الطيف الأخضر والأحمر لـ T _flat = 25 و 50 ns. عادةً ما يتم تصميم برامج تحليل الطيف لإزالة الذروات المستعارة بشكل صحيح. للحصول على ذروة إجمالية جيدة، تحتاج إلى تمديد الجزء العلوي المسطح، مما يقلل بالطبع من الإنتاجية.

على مخطط الذبذبات (الشكل 12)، يكون شكل النبضة مساويًا لمجموع شبه منحرفين مزاحين في الوقت. إذا كان هناك حدثان يفصل بينهما أكثر من مدة القمة المسطحة، فإن سعة الذروة تعتمد خطيًا على التأخير بين الحدثين. إذا كان التأخير أقل من مدة القمة المسطحة، فسيتم الحصول على مجموع قيم الذروة على الرسم البياني.

الشكل 12. مخططات التذبذبات التي توضح تداخل النبضات. يمثل المسار الوردي مدخل المحول التناظري الرقمي. يمثل المسار الأزرق الفاتح المخرج الناتج (زمن الذروة 2.4 مللي ثانية). يمثل المسار الأزرق إشارة "ICR" التي تشير إلى اكتشاف النبضة في القناة السريعة.

نسبة الإشارة إلى الضوضاء

المهمة الرئيسية للمضخم الطيفي هي نقل قيم سعة الإشارات القادمة من أجهزة الكشف عن الإشعاع بشكل خطي. في هذه الحالة، يُسمح بتغيير شكل الإشارات. هذا يعني أنه يمكن صنع دوائر الترشيح للمضخم بحيث يمر الطيف الرئيسي للإشارات من خلالها، ويكون طيف الضوضاء محدودًا قدر الإمكان. في هذه الحالة، نحصل على نسبة الإشارة إلى الضوضاء المثلى. تكون الإشارة عند خرج المرشح الأمثل على شكل منحنيين متقاطعين. يوفر مثل هذا المرشح أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء. تتمتع المرشحات الحقيقية، كقاعدة عامة، بخصائص أخرى، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء الخاصة بها أسوأ. من الملائم مقارنة المرشحات باستخدام نسبة فائض الضوضاء K _n.sh = ƞ∞/ ƞ، والتي توضح عدد المرات التي يتجاوز فيها ƞ∞ للمرشح الأمثل ƞ لنظام معين. ترد المؤشرات الرئيسية لأنواع مختلفة من النبضات في الجدول 1. هنا K _n.sh. يتم حسابها بشرط أن تكون شدة الضوضاء التسلسلية والمتوازية هي نفسها، وأن تكون سعة إشارة الخرج موحدة إلى الوحدة.

الجدول 1. عوامل زيادة الضوضاء وأشكال النبضات لبعض دوائر التشكيل

استنتج الباحثون منذ فترة طويلة أنه بالنسبة لمدة نبضة ثابتة، عندما تكون الضوضاء المتسلسلة هي المهيمنة، يتم توفير نسبة الإشارة إلى الضوضاء المثلى بواسطة نبضة على شكل مثلث منتظم، وعلى شكل "مسامير" عندما تكون الضوضاء المتوازية هي المهيمنة. الضوضاء المتسلسلة هي الضوضاء الإلكترونية التي تنشأ من المكونات المستخدمة مع الكاشف. كقاعدة عامة، تتوافق الضوضاء مع الجهد في مكبر الصوت المسبق وتنشأ في المقام الأول من الضوضاء في قناة الإدخال لمكبر الصوت المسبق. الضوضاء الموازية هي الضوضاء الإلكترونية التي تنشأ من المكونات المتصلة بالتوازي مع الكاشف. كقاعدة عامة، تنشأ بشكل أساسي من الضوضاء الحرارية في الكاشف والمقاومات المتوازية.

تقترب المشكِّلات التناظرية من المثلث، ولكن المعالج الرقمي لديه دالة نقل أقرب كثيرًا إلى هذا المثال. يتميز مستوى الضوضاء المكافئ لنظام الكشف عن الإشعاع بمؤشرات الضوضاء لمولدات الضوضاء التسلسلية والمتوازية، As وAp، لوقت ذروة معين t _peak . يمكن كتابة الضوضاء على النحو التالي:

حيث L _leak هو تيار التسرب عبر الكاشف، وR _p هي المقاومة المتوازية مع الكاشف، وC _in هي سعة الإدخال الكلية، وg _m هو قبول الترانزستور ذي التأثير الميداني وe _peak هي الضوضاء 1/f. النقطة الأساسية هي مؤشرات الضوضاء Ap وAs اعتمادًا على تفاصيل مكبر الصوت.

يوضح الجدول أدناه مؤشرات الضوضاء وعرض نبضات FWHM لثلاثة مكبرات تكييف شائعة مماثلة لتلك الموضحة في الشكل 9. إذا كان وقت الذروة ثابتًا، فإن شبه المنحرف والغاوسي لهما نفس مؤشر الضوضاء المتوازي، ولكن الرقمي له مؤشر ضوضاء تسلسلي أقل ويكون للغاوسي مدة أطول، مما يؤدي إلى المزيد من التعرجات. يجب أن نكون حذرين في هذه المقارنة، لأن وقت الذروة ليس هو المعلمة الرئيسية حقًا. في الشكل 9، تتمتع جميع النبضات بنفس وقت الذروة ولكن بمدد مختلفة. كلما زاد عرض النبضة، كلما حدث المزيد من التعرجات، حتى مع نفس وقت الذروة. هناك أيضًا مشكلة العثور على مرشح مثالي يسمح للمرء بحساب إزاحة خط الأساس بأقل خطأ في الضوضاء في فترة زمنية محدودة قبل ظهور النبضة الطيفية وتخزينها وطرحها من تراكب الإشارة والضوضاء وإزاحة التيار المستمر. النقطة الأساسية هي أن معالج النبضات الرقمي مع شبه المنحرف الحقيقي له مؤشرات ضوضاء منخفضة وعرض مجال زمني أضيق من المشكِّلات التناظرية المماثلة. وبالتالي، فهو يقلل الضوضاء الإلكترونية والتداخل في نفس الوقت.

الجدول 2. مؤشرات الضوضاء وعرض النبضة (FWHM) لثلاثة مكبرات صوتية شائعة

محلل سعة النبضة متعدد القنوات (MCA).

هناك مصدران للوقت الميت في النظام التناظري: قد تضيع بعض النبضات (لا يتم اكتشافها) لأن (أ) النبضات تتداخل في الوقت، أو (ب) يتم اكتشاف الذروة ولكن المحول الرقمي مشغول. تستخدم معظم أجهزة تحليل السعة متعددة القنوات محولات تناظرية إلى رقمية لا يتجاوز طولها ميكروثانية، ولكن حتى إذا لم تتداخل النبضات التناظرية في الوقت، فسوف يضيع العد بسبب الوقت الميت للمحول الرقمي. في المعالج الرقمي، لا يوجد وقت ميت مرتبط بأخذ عينات من الذروة. لقد تم بالفعل رقمنة شكل موجة النبضة بالكامل بسرعة عالية، لنقل 20 ميجا هرتز. ستكون هناك حاجة إلى بضع دورات ساعة لتحديث ذاكرة الهيستوجرام، ولكن هذا لا يُذكَر. لذلك، لا يوجد في النظام الرقمي وقت ميت مرتبط بأخذ عينات من الذروة. لديه وقت ميت مرتبط بعرض النبضة، كما هو موضح أعلاه.

الخطية

في النظام التناظري، تؤثر عدم خطية المحول التناظري الرقمي بشكل كبير على عدم خطية النظام. نظرًا لأن محلل سعة النبضة متعدد القنوات يقوم بقياس ارتفاع الذروة مرة واحدة، فإن أي عدم خطية في حجم خطوات المحول التناظري الرقمي ستؤدي إلى قياسات ارتفاع النبضة غير الخطية. أحد الأساليب الشائعة في المحول التناظري الرقمي لتنعيم عدم الخطية هو إضافة أرقام عشوائية إلى النبضة ورقمنتها ثم طرح الأرقام العشوائية. والنتيجة هي عدة أكواد محول تناظري رقمي تُستخدم لقياس جهد ارتفاع نبضة واحدة. في النظام الرقمي، يكون ارتفاع كل نبضة هو مجموع العديد من قياسات المحول التناظري الرقمي المختلفة، باستخدام العديد من أكواد المحول التناظري الرقمي المختلفة بشكل أساسي. وهذا يمنح النظام الرقمي خطية محسنة بشكل كبير.

إمكانية التكوين.

في معالج النبضات التناظري، يتم تحديد معظم المعلمات بواسطة المقاومات والمكثفات. في جهاز تشكيل شبه غاوسي، على سبيل المثال، يتم تحديد وقت التشكيل بواسطة مجموعة من أربعة عشر مقاومًا ومكثفًا. سيتطلب جهاز تشكيل مكبر تناظري بأربعة ثوابت زمنية للتشكيل أربع مجموعات مختلفة من كل هذه المكونات. من غير العملي أن يكون هناك العديد من معلمات التكوين المختلفة في نظام تناظري.

في النظام الرقمي، يتم ضبط وقت التشكيل على عدد دورات التأخير الرقمية وفي المراكم. من السهل التبديل بين مشكل الوقت وساعة 20 ميجا هرتز، وحجم الخطوة 50 نانوثانية، مما يعطي تعديلًا دقيقًا للغاية. مثل هذه خيارات المعالجة غير ممكنة في الدائرة التناظرية. على سبيل المثال، تضبط بعض المعالجات الرقمية وقت الذروة على أساس نبضة تلو الأخرى: إذا كانت الفترة الفاصلة بين نبضتين صغيرة، فسيتم استخدام وقت ذروة قصير، مما يضيف القليل من الضوضاء، ولكن يزيل التعرج وفقدان العد. في النظام الرقمي، يمكن الحصول بسهولة على العديد من المعلمات وخيارات التكوين. تتضمن هذه المعلمات ليس فقط وقت التشكيل، ولكن أيضًا معلمات الاسترداد الأساسية، ومعلمات رفض التعرج، وما إلى ذلك. يحتوي النظام الرقمي على العديد من معلمات التكوين، لذلك يمكن للمستخدم بسهولة تكييف النظام مع احتياجات المشكلة المطروحة، مما يزيد من كفاءة العمل.

الاستقرار والموثوقية.

نظرًا لأن النظام التناظري يعتمد على المقاومات والمكثفات، فإن استقراره محدود باستقرار هذه المكونات وقابلية تكرار أخطائها. يتسبب معامل درجة الحرارة للمقاومات والمكثفات في نمو وتكوين تدرج درجة الحرارة. تتسبب الأخطاء بين المقاومات والمكثفات في اختلافات بين أشكال النبضات المتطابقة اسميًا عند الانتقال من تكوين إلى آخر. يتم عادةً ضبط دقة الكسب باستخدام مقياس الجهد ومن الصعب العودة إلى إعداد سابق، كما يصعب ضبط نظامين بدقة ليتناسبا مع بعضهما البعض.

في النظام الرقمي، تعتمد الاستقرارية والقدرة على التكرار على عدد قليل من المصادر الدقيقة للغاية، مثل مذبذب الكوارتز لضبط الوقت. في هذه الحالة، يكون انحراف درجة الحرارة أقل بكثير. والقدرة على التكرار أفضل بكثير. في النظام الرقمي، حيث يتم ضبط المكسب رقميًا، يمكنك العودة إلى المعلمات السابقة بالضبط. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل الفشل في FPGAs منخفض جدًا مقارنة بمعدل فشل العديد من المكونات المنفصلة، ​​مع اتصالاتها الملحومة.

خاتمة

يتمتع المعالج الرقمي بمزايا أداء جوهرية مقارنة بالمعالج التناظري. فهو يتميز باستجابة نبضية محدودة، وتشوهات وتحولات أساسية أقل، ويوفر تصفية أفضل للضوضاء (لنفس عرض النبضة)، ويقلل من العجز البالستي ويحسن الخطية، كما يتمتع بقدرة تكوين أفضل، واستقرار، وموثوقية أفضل.

العيب الرئيسي لهذا المعالج هو أن المحول التناظري الرقمي السريع يستهلك طاقة أكبر بكثير من مكبر التشغيل والمحول التناظري الرقمي البطيء المستخدم في برنامج التشغيل التناظري. عندما تكون هناك حاجة إلى أفضل أداء وأقل ضوضاء وأعلى معدل عد للعمليات، فإن المعالج الرقمي هو الحل الأفضل.