Імовірнісний широкодіапазонний спектрометр

Імовірнісний широкодіапазонний спектрометр, що містить сцинтилятор, фотоелектронний помножувач, передпідсилювач, амплітудний аналізатор, який відрізняється тим, що виходи суматора по модулю 2 пов'язані з дозволяльними входами регістрів пам'яті, що зберігають поправкові коефіцієнти, і з дозволяльними входами лічильників C2 1 3 вимірювання потужності експозиційної дози в схему додають лічильник реального часу, регістри пам'яті і блок логічних елементів. Запропонована функціональна схема імовірнісного амплітудного аналізатора сцинтиляційного спектрометра показана на кресленні, до складу якого входять: - аналогова схема порівняння (СхП); - генератор тактових імпульсів (ГТІ); - Q-розрядна цифрова схема порівняння (ЦСхП); - генератор псевдовипадкових рівномірно розподілених чисел (ГПРРЧ); - лічильник кількості випробувань; - блок мультиплексування (БМ), що складається з Q логічних елементів АБО на L входів; - лічильник реального часу (ЛРЧ); - L логічних елементів, що виконують підсумовування за модулем 2 (mod2); - блок логічних елементів; - L регістрів пам'яті на Q розрядів, що зберігають поправкові коефіцієнти в цифровому позиційному коді (Рг); - L+2 двійкових накопичувальних лічильників результатів вимірювань; де L - число піддіапазонів вимірювання; Q - розрядність. Перебіг процесів у схемі імовірнісного широкодіапазонного спектрометра має викладену нижче послідовність. Вимірювання починаються після подачі на схему електроживлення і програмування блока L регістрів пам'яті. Іонізуюче випромінювання, взаємодіючи з речовиною детектора, викликає в ньому сцинтиляції, за інтенсивністю пропорційні енергії іонізуючих частинок. За рахунок оптичного зв'язку сцинтиляцій з катодом ФЕП на останньому формуються електричні імпульси, амплітуда яких пропорційна інтенсивності окремих сцинтиляцій, тобто енергії іонізуючих частинок. Ці імпульси з виходу ФЕП посилюються передпідсилювачем, який, як і сцинтилятор, і ФЕП, на схемі не показані, і передаються на вхід амплітудного селектора, що виконує функцію перетворювача амплітуди в унітарний L-розрядний двійковий код, де L - число піддіапазонів вимірювання. Схема порівняння СхП і блок логічних елементів підсумовування за mod2 нічим не відрізняються від прототипу. Тобто, СхП на вході в амплітудний аналізатор є сукупністю двовходових елементів порівняння (в ролі якої може виступати як компаратор, так і тригер Шмідта), на перший вхід і-го з яких подається опорна напруга Uoп, причому ця напруга відрізняється одна від одної на величину U , яка визначається відповідно до L піддіапазонів вимірювань і реалізується за допомогою резистивного подільника. Другі входи елементів порівняння об'єднані і на них подана напруга, рівна амплітуді вхідного імпульсу Uвx. При виконанні умови Uoп = Uвx на виході відповідного елемента порівняння з'являється "1". Оскільки сусідні виходи елементів порівняння попарно подаються на входи суматорів по модулю 2, то одиничний сигнал з'явиться на виході того з них, на вхід якого будуть одночасно подані "1" і "0". Останні, по суті, спрацьовують при попаданні імпульсу в певний піддіа 94292 4 пазон напруги. Таким чином, кожній амплітуді імпульсу з виходу ФЕП відповідатиме "своя одиниця" на виході і-го суматора за mod2, де і = 1, 2, ..., L. Ця "одиниця" подається на дозволяльний вхід іго регістра пам'яті, що зберігає поправковий коефіцієнт, після чого значення поправкового коефіцієнта через блок мультиплексування потрапляє на перші паралельні входи цифрової схеми порівняння, на другі входи ЦСхП подається значення з ГПРРЧ, внаслідок чого відбувається імовірнісне перетворення значень поправкових коефіцієнтів. Ця ж "одиниця" через схему АБО з L-входами перемикає лічильний Т-тригер в одиничний стан, подаючи дозволяльний сигнал на ЦСхП, тим самим починаючи підцикл вимірювання, ця ж "одиниця" подається на дозволяльний вхід лічильника і-го каналу. Імовірнісні відображення з виходу ЦСхП надходять через елементи АБО на лічильники-інтегратори, лічильник ЕД і через лічильник реального часу на лічильник ПЕД. З кожним імпульсом з ГТІ значення в лічильнику кількості випробувань інкрементується на "1", при досягненні значення, рівного К, лічильник кількості випробувань подає сигнал обнуління, який, проходячи через схему АБО, перемикає лічильний Т-тригер в нульовий стан, закінчуючи тим самим підцикл вимірювання. Після закінчення вимірювань на паралельних виходах лічильників-інтеграторів, відповідних кожному енергетичному каналу, знаходитиметься енергетичний спектр вимірюваного сигналу, на виході лічильника-інтегратора ЕД - експозиційна доза, а на виході лічильника-інтегратора ПЕД потужність його експозиційної дози в задану одиницю часу. Модуль лічби ЛРЧ розраховують таким чином, щоб, залежно від частоти роботи ГТІ за вибрану одиницю часу, ЛРЧ, наповнюючись, дозволяв запис у лічильник ПЕД, а переповнюючись, ініціалізував сигнал переписування значення з лічильника ПЕД в регістр ПЕД і обнуління лічильника ПЕД, тим самим в регістрі ПЕД знаходитиметься приріст ЕД в одиницю часу - потужність ЕД. Частоту роботи ГТІ розраховують так, щоб за відрізок часу між можливими появами одиниці на виході амплітудного аналізатора, з урахуванням всіх затримок на логічних елементах і елементах пам'яті, ЦСхП провела К випробувань, і було отримано К імовірнісних відображень, причому кількість випробувань безпосередньо впливає на точність імовірнісного перетворення. Загалом, суть стохастичного або імовірнісного перетворення полягає в тому, що будь-якому значенню параметра перетворюваної величини можна привести у відповідність деяку вірогідність:   1 при хі R tij yij   0 при xi  R tij  , xi де - і-е значення параметра перетворюваного сигналу X(t); R tij - j-e значення параметра допоміжного випадкового сигналу R(t), що змінюється в інтервалі зміни X(t);     5 94292 i  1 N число циклів перетворення сигналу , X(t); j  1 K - кількість статистичних випробувань , кожного значення x i всередині тимчасового інтерt  t  t валу i i1 i ; yij - значення імовірнісного відображення параметра сигналу x i з ряду Yi t   yi1 ; уі2 ;  уіj ;  уіК  . У разі, коли допоміжний випадковий сигнал підпорядковується рівномірному закону розподілу, вираз для математичного сподівання перепишеться у вигляді МYi t   P yij  1  xi .   Як оцінку x i , що задовольняє вимоги незсуненості, спроможності і ефективності, відповідно до теореми Чебишева, приймають x   Yi t   M i 1 K K y ij j1 . Ураховуючи, що величина, піддана імовірнісному перетворенню, нормована в одиничному інтервалі, величина приведеної похибки буде рівна  ВП  ВП  100% 1 . Вираз для абсолютної похибки перепишеться у вигляді: ВП  2F1P K xi 1  xi  , де F-1(P) - функція, зворотна функції Лапласа; Р - вірогідність того, що дійсне значення Fx(R) знаходиться всередині інтервалу з межами    Ip  Fxi R  ВП ; Fxi R  ВП При заданому значенні ху для К буде: . ВП 6 % оцінкою звер 2 1   К    2F P xi 1  xi   , K  256  ВП    . Задана точність ВП 6 % цілком задовольняє задані метрологічні параметри поставленої задачі. Апаратний об'єм запропонованого імовірнісного сцинтиляційного спектрометра підвищеної точності для схеми, що містить L = 32 енергетичних 6 каналів, що працює з Q = 10 розрядними поправковими коефіцієнтами і зберігає результат в S = 16 розрядних лічильниках-інтеграторах (регістрах), в елементах Булєвого базису складає 5640 логічних елементів, в той час як для другого прототипу 7380 елементів, а для першого прототипу 12320 логічних елементів. У даному випадку апаратний об'єм запропонованого пристрою, порівняно з першим прототипом, менше на 54 %, а порівняно з другим прототипом - менше на 23 %. Для схеми, що містить L = 64 енергетичних каналів і працює з Q = 16-розрядними поправковими коефіцієнтами, яка зберігає результат в S = 32розрядних лічильниках-інтеграторах (регістрах), апаратний об'єм в елементах Булєвого базису складає 19220 логічних елементів, в той час, як для другого прототипу - 27300, а для першого прототипу - 45630.У даному випадку апаратний об'єм запропонованого пристрою, порівняно з першим прототипом, менше на 58 %, а порівняно з другим прототипом, менше на 30 %. Для прискорення роботи схеми, або підвищення точності, можна скористатися паралельним імовірнісним перетворенням. У даному випадку необхідно ввімкнути в схему додаткові блоки імовірнісного перетворення (ГПРРЧ і ЦСхП). У разі додавання додаткових трьох блоків імовірнісного перетворення апаратний об'єм для першого і другого випадку зросте на 600 елементів Булєвого базису, а швидкодія всієї схеми збільшиться в 4 рази. Запропоноване технічне рішення дозволяє скористатися перевагами імовірнісної форми надання інформації, для чого необхідно в схемі амплітудного аналізатора імовірнісного сцинтиляційного спектрометра підвищеної точності замінити лічильники-інтегратори на К-розрядні регістри, до яких з виходу ЦСхП подаватиметься безпосередньо імовірнісне відображення. Техніко-економічна ефективність запропонованого імовірнісного сцинтиляційного спектрометра підвищеної точності полягає в можливості вимірювання енергетичного спектра, експозиційної дози і потужності експозиційної дози іонізуючого випромінювання в реальному масштабі часу з одночасним зменшенням похибок вимірювань і апаратного об'єму пристрою, а також в можливості використання переваги імовірнісної форми надання інформації для подальшої обробки отримуваних даних. 7 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 94292 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601