Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 157-159

На базе микроконтроллера (м.к.) C8051F060 фирмы SiLabs [1] с подключением к персональному компьютеру (п.к.) через порт USB нами разработан и изготовлен двухканальный импульсный анализатор энергетических спектров для регистрации энергии частиц ионизирующего излучения [2, 3]. На его базе может быть собран энергетический спектрометр источников ионизирующего излучения (и.и.и.). Это позволяет проводить регистрацию энергетических спектров с их отображением на экране монитора п.к. в реальном масштабе времени, а также осуществлять накопление информации в виде графиков и таблиц. При построении спектрометра с соответствующим спектрометрическим трактом могут использоваться детекторы различных типов: сцинтилляционные, полупроводниковые, ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и др.

Принципиальная схема анализатора представлена на рис. 1, где имеются аналоговая и цифровая части.

Рис. 1.

Принципиальная схема анализатора. DA₁–DA₃ – AD8616; DD₁ – ADG713, DD₂ – MAX5403, DD₃ – С8051F060, DD₄ – C8051F327; диоды – 1N4148.

Аналоговая часть имеет два канала. Каждый канал содержит согласующий масштабирующий усилитель на операционном усилителе (о.у.) DA₃ [4] и устройство выборки хранения (у.в.х.) на пиковом детекторе (п.д.) с функцией преобразования вида y = ax [5, 6]. Накопительная емкость каждого п.д. подключена к схеме через полевые ключи на DD₁ [7].

Импульсный сигнал положительной полярности амплитудой до 5 В подается на входы А и/или В. Усилитель на о.у. DA₃ обеспечивает согласование уровней благодаря цифровому потенциометру на DD₂. Это позволяет один раз перед запланированной серией экспериментов проводить калибровку анализатора для приведения регистрируемой амплитуды импульса в соответствие с энергией частицы. Для проведения калибровки используется образцовый и.и.и., характеристики энергии частиц которого известны, и соответственно известен энергетический спектр. Таким образом, спектр может быть преобразован в энергетический спектр.

Микросхема DD₂ содержит два цифровых линейных потенциометра на 256 значений [8], один из которых трехконтактный, а другой двухконтактный. Узел Вход+А на DA_3–1 позволяет программно от п.к. регулировать амплитуду сигнала за счет изменения коэффициента усиления К_у, а узел Вход+В на DA_3–2 позволяет снижать амплитуду. Это регулирование осуществляется оператором в программе на п.к., а уже по сигналам от п.к. через DD₃ на DD₂ по трехпроводному интерфейсу устанавливается значение сопротивления R (в DD₂), удовлетворяющего требуемым критериям. Полученные значения R для DD₂ запоминаются в программе и могут быть изменены в последующем при необходимости корректировки.

В начальный момент времени сигналом от м.к. на нормально-разомкнутый ключ DD₁, с его замыканием и последующим размыканием, осуществляется сброс накопительной емкости п.д., и у.в.х. готово к работе. С выхода DA₃ сигнал поступает на вход у.в.х. (DA₁, DA₂ и DD₁) и одновременно на вход одного из компараторов м.к. DD₃. У.в.х. – это классический вариант п.д. [5], дополненный ключами на DD₁, управляемых от м.к.

Амплитудное значение импульса через нормально-замкнутый ключ DD₁ заряжает емкость п.д. В то же время сигнал, поступивший на вход компаратора, запускает работу аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.), если его амплитуда превышает пороговое значение компаратора, установленное оператором в программе на п.к. Уровень срабатывания компаратора определяется напряжением цифроаналогового преобразователя (ц.а.п.), подаваемым на другой вход компаратора, что и определяет порог анализатора для отсечки шумов в области низких энергий.

Таким образом, по сигналу компаратора в а.ц.п. м.к. начинается оцифровка амплитуды импульса, поступившего с выхода у.в.х. По окончании работы а.ц.п. оцифрованное значение поступает на выход м.к., а на DD₁ поступают сигналы, по которым нормально-замкнутый ключ размыкается, а нормально-разомкнутый ключ – замыкается, в результате чего емкость п.д. разряжается. Затем сигналами от м.к. ключи DD₁ приводятся в исходное состояние, и у.в.х. готово к приему следующего сигнала.

Цифровая часть: DD₃ – основной м.к. C8051F060, а DD₄ – вспомогательный м.к. C8051F327, который выполняет преобразование протокола UART в USB и обратно для связи с п.к. и управления от него. Встроенный в DD₄ преобразователь напряжения обеспечивает питание обоих м.к. напряжением 3.3 В от 5 В USB.

При реализации анализатора использованы встроенные в м.к. DD₃ два компаратора, два ц.а.п., два а.ц.п. с разрядностью 16 бит и временем преобразования 1 мкс.

Конструктивно модуль анализатора представляет собой плату размером 60 × 70 мм. Пассивные элементы – SMD-типа, формата 0805. Питание 5 В осуществляется от USB-порта п.к. На принципиальной схеме не показаны элементы фильтрации по питанию, которые выполнены, как правило, в виде пары емкостей номиналами 0.1 и 1 мкФ или 0.1 и 10 мкФ, где 10 мкФ – танталовая емкость.

Режимы работы анализатора задает оператор в программе хост-компьютера.

Основные технические характеристики анализатора. Полярность входных аналоговых сигналов – положительная, диапазон входных аналоговых сигналов 0–5 В, длительность фронта аналогового сигнала ≥0.04 мкс; число каналов преобразования анализатора – 1024, 2048, 4096, время преобразования 1 мкс; интегральная нелинейность (вся шкала) ≤0.1%, дифференциальная нелинейность ≤1%; ширина генераторного пика на полувысоте – ≤1 канал; время установления рабочего режима ≤10 мин; тип логического сигнала – TTL-совместимый.

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты измерений спектра α-излучения, измеренного по классической схеме энергетического спектрометра: и.и.и., полупроводниковый детектор, зарядочувствительный усилитель (з.ч.у.), спектрометрический усилитель и наш USB-анализатор, сопряженный с п.к. Данная схема спектрометра предназначена для тестирования в вакууме полупроводниковых детекторов с регистрацией энергетических спектров от образцового источника α-излучения ²²⁶Ra.

Рис. 2.

Энергетический спектр α-частиц ²²⁶Ra (Е_α = 7.65 МэВ).

Тестировался Si полупроводниковый детектор ионизирующего излучения в вакууммированной камере при комнатной температуре (размеры детектора: d = 20 мм, h = 1 мм) с входным з.ч.у. (з.ч.у. типовой на полевом транзисторе с p–n-переходом, например КП-303), а также спектрометрический усилитель с варьируемыми динамическими параметрами и системой предварительной аналоговой обработки БУС2-47 стандарта “Вектор”.

Далее сигнал поступал на наш анализатор спектров на базе м.к. C8051F060, сопряженный с C8051F327 для связи с п.к. по USB, и затем на п.к. c OC  Windows-XP. На входе схемы DA_3–1 (рис. 1) показан делитель на резисторах с соотношением 1:3, так как источником сигнала нами использовался спектрометрический тракт с питанием ±15 В. Как видно из графика, энергетический спектр ²²⁶Ra соответствует литературным данным [9].

Таким образом, реализованный на м.к. C8051F060 анализатор импульсов содержит все необходимые устройства [2, 3]. Высокое быстродействие анализатора в сочетании с хорошими точностными параметрами делают его универсальным прибором, который может успешно использоваться в службах радиационного контроля предприятий различного профиля, в системах экологического мониторинга, в научных исследованиях. Анализатор обеспечивает: задание режимов работы с п.к., визуальный контроль накопления данных в виде графика на экране монитора п.к., накопление и обработку амплитудных распределений с сохранением в виде таблиц. Измеренные спектры сохраняются в формате *.txt и могут быть обработаны в любом графическом редакторе типа Exel, Origin или др. Программное обеспечение работает в среде Windows-ХР и выше.