Laborversuch 6: Signalverarbeitung mit digitalem Signal mit Elektronik

Zweck:

1. Zeigt die verschiedenen Schritte der Signalverarbeitung in einem digitalen Signalprozessor.
2. Zur Demonstration der Verwendung des digitalen Oszilloskops.

Erforderliche Ausrüstung:

Theoretische Übersicht:

Detektor- und Verstärkerfunktionen

Der Nachweis und die Analyse geladener Teilchen sowie von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen ist sehr ähnlich. Ein Detektor ist im Grunde ein Sensor, der ein Signal erzeugt, wenn ein Partikel oder Photon in ihn eintritt. Als Halbleitergerät benötigt der Detektor typischerweise eine Vorspannung, um ein elektrisches Feld bereitzustellen, das die im Detektorvolumen erzeugte Ladung erfasst. Bei Szintillatordetektoren wird für den Betrieb der Fotoelektronenvervielfacher-Röhre eine Vorspannung benötigt. Ein für die Spektroskopie verwendeter Detektor erzeugt ein Signal, das proportional zur Energie des im Detektor deponierten Photons ist. Dieser Impuls ist sehr schwach, deshalb muss er verstärkt und an das Analysegerät angepasst werden. Die Verstärkung erfolgt typischerweise in zwei Schritten an einer Vorverstärkungsstufe und an einer primären Verstärkungsstufe.

Die Vorstufe befindet sich in der Regel sehr nahe beim Detektor, während die primäre Verstärkung, die typischerweise mit einem Mehrkanalanalysator (MCA) durchgeführt wird, in einem gewissen Abstand von manchmal vielen Metern vom Detektor liegen kann. Verschiedene Detektorarten erfordern jeweils bestimmte Vorverstärkertypen, aber die grundlegenden Funktionsprinzipien sind im Allgemeinen ähnlich.

Die Vorstufe integriert den Detektor-Ladungsimpuls und erzeugt einen Spannungsimpuls, der auf die Reaktionszeit des Detektors abgestimmt ist. Dieser Spannungsimpuls entspricht typischerweise 10 bis 200 Nanosekunden, gefolgt von einer längeren Abklingzeit von einigen bis vielen Mikrosekunden. Diese Abklingzeit steht für die Entladung der Rückkopplungsschleife der Vorstufe und sie ist so ausgelegt, dass in dieser Phase das System für den nächsten Impuls zurückgesetzt wird. Eine Transistor-Reset-Vorstufe wird dagegen nicht nach jedem Ereignis entladen, sondern erst nach der Erfassung mehrerer Volt, was Dutzenden von Einzelereignissen entspricht. Auch wenn es Unterschiede bei der Entladung der Vorstufe geben kann, gilt das Grundprinzip, dass die durch den Impuls induzierte Spannung proportional zur Menge der ionisierenden Energie ist, die von der einfallenden Strahlung in den Detektor eingeworfen wird.

Während die Vorstufe so ausgelegt ist, dass sie eine sofortige Verstärkung des schwachen Detektorsignals und ein Reset des Systems ermöglicht, reicht dieses Signal in der Regel nicht aus, um eine zuverlässige Energiesignatur des Impulses zu extrahieren. Es ist weiterhin eine Primärverstärkung oder Formungs-Vorstufe erforderlich, um den Impuls weiter zu verfeinern und so die präziseste Messung der Spannung zu erzielen. Bei der traditionellen, analogen Formung wird der Vorverstärkerimpuls durch Differenzierungs- (CR) und Integrierfilter (RC) geleitet, um ein Impulssignal zu erzeugen, das zum Teil der gaußschen Normalverteilung entspricht und sich für die Digitalisierung in einem Analog-Digital-Wandler eignet

Moderne Signalverarbeitungstechniken gehen mit der Digitalisierung des Signals direkt am Ausgang der Vorstufe einher. Dieser digitalisierte Impuls kann dann digital manipuliert werden, um die präzise Impulshöhe zu ermitteln. Die digitale Impulsverarbeitung (Digital Pulse Processing, DPP) ermöglicht die Entwicklung von Filterfunktionen, die mit der herkömmlichen, analogen Verarbeitung nicht möglich sind. Aufgrund des frühen Stadiums der Digitalisierung ist DPP zudem im Allgemeinen stabiler gegen Umgebungsveränderungen sowie gegen Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse. Sie ist zudem schneller als die analoge Verarbeitung.

Der Trapezfilter ist eine gängige Filterlösung zum Implementieren der DPP-Technologie, um eine optimale Energieauflösung zu erzielen. Grundsätzlich berücksichtigt ein Trapezfilter zwei gleitende Mittelwerte einer bestimmten Anzahl von Kanälen für das digitalisierte Eingangssignal. Der erste Durchschnittswert deckt einen Zeitbereich ab, der durch die „Anstiegszeit“ eines trapezförmigen Signals bestimmt wird. Der zweite ermittelte Durchschnittswert steht ebenfalls für die Anstiegszeit, und zwar beginnend ab dem Ende der ersten Anstiegszeit. Er definiert den „Flat Top“: die Flache Oberseite der Trapezform.

Diese beiden Zeitbereiche sind links in Abbildung 6-1 dargestellt. Das gefilterte Signal ist dann die Differenz dieser beiden Signale, wie im rechten Teil der Abbildung dargestellt. Der Trapezfilter kann dann wie folgt dargestellt werden:

Wobei gilt:

Und:

In diesen Gleichungen ist
V_in der Spannungseingang des Filters.
V_out ist die vom Filter ausgegebene Spannung.
RT ist die benutzerdefinierte Anstiegszeit.
FT ist das benutzerdefinierte Flat Top.

Abbildung 6-1: Im linken Bereich werden die Trapezfilterparameter angezeigt, die resultierende Ausgabe des Filters wird im rechten Bereich angezeigt. Die blaue Spur stellt das Eingangssignal dar, während die rote Spur das geformte Signal darstellt.

Wir beobachten, dass der Anstiegszeitparameter das Filtern zur Glättung des Eingangssignals und zum Herausfiltern von Hochfrequenzrauschen repräsentiert, das die Extraktion des Energiesignals beeinträchtigen kann. Der Flat-Top-Parameter wird in der Regel größer als die Zeit zur Erfassung der Ladung durch den Detektor eingestellt. Die Anstiegszeit und der Flat-Top-Bereich können so optimiert werden, dass die erforderliche Energieauflösung bzw. Durchsatz erreicht wird.

Zu beachten ist auch, dass in den obigen Beispielen eine reine Stufenfunktion verwendet wird. Das ist ein guter Ansatz für die Vorstufen-Eingangsimpulse (auf der Skala der Signalanstiegszeit), berücksichtigt aber nicht die Zerfallszeit des Impulses, die durch eine Pol-Null-Korrektur kompensiert wird.

Sobald ein Energiesignal ermittelt wurde, gibt es mehrere Möglichkeiten, dieses Signal zu nutzen:

Einzelkanalanalyse (Single-Channel Analysis, SCA): Ein digitales Signal wird ausgegeben, wenn das Energiesignal in einem Bereich liegt, der durch einen unteren (Lower-Level-Diskriminator, LLD) und einen oberen Diskriminator (Upper-Level-Diskriminator, ULD) bestimmt ist. Typischerweise werden die Zählungen pro Sekunde angezeigt.

Mehrkanalskalierung (Multi-Channel Scaling, MCS): Ähnlich wie der SCA-Modus, jedoch werden die Daten in einem Zeithistogramm aufgezeichnet, in dem die aufeinanderfolgenden Zählraten angegeben sind.

Pulshöhenanalyse (PHA): Die Energien werden in einem Energiehistogramm aufgezeichnet, in dem die Pulshöhen nach Kanälen kategorisiert werden und die Anzahl zu jedem Kanal für die Anzahl der Aufzeichnungen einer bestimmten Pulshöhe innerhalb der angegebenen Messzeit steht.

Multispektrale Skalierung (MSS): Funktioniert ähnlich wie der PHA-Modus, es wird jedoch in kurzen, durch die Systemverweilzeit definierten Zeitintervallen ein Energiehistogramm gespeichert.

Zeitstempellisten-Modus (Time-Stamped List Mode, TLIST): In diesem Modus wird die Zeit, die ein eintretendes Ereignis dauert (bis 100 ns) zusammen mit der Energie des Ereignisses aufgezeichnet. Die Daten werden als Liste von Zeit-Energie-Paaren gespeichert, die später zu einem der oben genannten vier Datentypen verarbeitet werden können. Dies ist die allgemeinste der Datenspeicheroptionen, aber auch die mit dem größten Speicherbedarf.

Anleitung für Experiment 6:

Der Effekt von Anstiegszeit und Flat Top

1. Verbinden Sie den NaI(Tl)-Detektor über die 2007P-Vorstufe mit dem Lynx II DSA und verbinden Sie den Lynx II DSA direkt oder über Ihr lokales Netzwerk mit dem PC. Siehe Abbildung 6-2.

2. Richten Sie die ¹³⁷Cs-Quelle vor dem Detektor ein.

3. Öffnen Sie die Gammaspektroskopiesoftware ProSpect und stellen Sie eine Verbindung zum Lynx II DSA her.

4. Konfigurieren Sie die MCA-Einstellungen wie in Experiment 1 empfohlen.

5. Wenden Sie anhand der Software die empfohlene Detektorvorspannung auf den NaI(Tl)-Detektor an.

6. Starten Sie unter dem Tab MCA-Einstellungen die Funktion Digital Oszilloskop (DSO) der Software ProsPect, um das analoge Eingangssignal anzuzeigen.

7. Stellen Sie die analoge Spur auf ADC ein, um das analoge Eingangssignal anzuzeigen.

8. Beobachten Sie, wie lange es dauert, bis das Signal sein Maximum erreicht hat und wie lange es dauert, bis es wieder auf den Ausgangswert zurückfällt.

9. Stellen Sie beim DSO die analoge Spur auf Energy ein, um die digitale Trapezfigur anzuzeigen.

10. Messen Sie die RT und FT im DSO.

11. Lesen Sie unter dem Reiter "MCA-Einstellungen" unter den Filtereinstellungen die Werte für RT und FT ab. Überprüfen Sie, ob diese mit den Werten aus Schritt 10 übereinstimmen.

12. Ändern Sie die RT-Einstellung. Zeichnen Sie die tatsächliche Anstiegszeit im DSO auf.

13. Ändern Sie die FT-Einstellung. Zeichnen Sie den tatsächlichen Flat-Top-Wert im DSO auf.

14. Stellen Sie RT und FT wieder auf die Ausgangswerte ein.

Effekt der Optimierung der Einstellungen für Anstiegszeit und Flat-Top-Zeit

1. Wählen Sie unter dem Tab "Erfassung" der ProSpect-Software den PHA-Modusals Erfassungsmodus .

2. Stellen Sie die Grob- und Feinverstärkung so ein, dass der Full-Energy-Peak nahe der Mitte des Spektrums liegt.

3. Stellen Sie die Energiekalibrierung so ein, dass der Fotopeak etwa 662 keV beträgt. Bitte beachten Sie, dass sich das Spektrum in diesem Abschnitt des Experiments gegenüber der Energiekalibrierung verschieben kann, so dass die ausgegebenen Werte sorgfältig zu prüfen sind.

4. Stellen Sie unter dem Tab MCA-Einstellungen die Filtereinstellungen auf 0,6 µs RT und 0,1 µs FT ein.

5. Löschen Sie das Spektrum.

6. Erfassen Sie das Spektrum eine Minute lang (zählen Sie änger, wenn weniger als 3.000 Zählungen im Peak erreicht wurden).

7. Erstellen Sie einen interessierenden Bereich (Region of Interest, ROI) um den Full-Energy-Peak herum. Folgen Sie dem Tooltip und zeichnen Sie FWHM, FWTM und den Zentroid des Peaks auf.

8. Ändern Sie die RT in Schritten von 0,6 µs auf 3,0 µs und wiederholen Sie die Schritte 5 bis 7.

9. Ändern Sie die FT in Schritten von 0,2 µs von 0,1 µs auf 1,1 µs und wiederholen Sie die Schritte 5 bis 8.

10. Geben Sie für jede Flat-Top-Einstellung an: Energieauflösung in Prozent, FWHM/Schwerpunkt *100, im Verhältnis zur Anstiegszeit RT. Dies beseitigt die Abhängigkeit von der Energiekalibrierung und ist Standardpraxis für die Berichterstattung zur Energieauflösung von Szintillatordetektoren.

11. Bestimmen Sie, welche Kombination aus RT und FT die niedrigste (d. h. beste) Energieauflösung ergibt. Stellen Sie RT und FT auf diese Einstellungen ein.

Abbildung 6-2: Kabelverbindungen

Einzelkanal-Analysator (Single-Channel Analyzer SCA)

1. Wählen Sie unter dem Tab "Erfassung" der ProSpect-Software den PHA-Modusals Erfassungsmodus .

2. Stellen Sie den Verstärkungszuwachs so ein, dass der Full Energy Peak annähernd im Zentrum des Spektrums liegt.

3. Löschen Sie das Spektrum.

4. Erfassen Sie das Spektrum eine Minute lang (geben Sie Zeit hinzu, wenn weniger als 3.000 Zählungen im Peak erreicht wurden).

5. Erstellen Sie einen interessierenden Bereich (Region of Interest, ROI) rund um den Peak.

6. Zeichnen Sie den Peakbereich, die Gesamt-Peakanzahl und die Livezeit auf. Zeichnen Sie auch die unteren und oberen Kanäle des ROI auf.

7. Wählen Sie im Menü der MCA-Einstellungsoptionen die Option Einzelkanal-Analysatoren (Single-Channel Analyzers).

8. Berechnen Sie den LLD, indem Sie den unteren ROI-Kanal heranziehen, durch den gesamten Kanalbereich (2.048) teilen und mit 100 multiplizieren. Der untere ROI-Kanal wird in einen Prozentsatz des gesamten Bereichs umgewandelt, und dieser Prozentsatz ist der erforderliche LLD-Eingang. Stellen Sie den LLD auf diesen Wert ein.

9. Berechnen und stellen Sie den Upper-Level Discriminator (ULD) entsprechend Schritt 8 ein, jedoch für den oberen ROI-Kanal.

10. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen, um die SCA-Erfassung zu starten. Öffnen Sie die Zeitreihenansicht (Time-Series Viewer) unter dem MCA-Tab und zeichnen Sie die SCA-Zählrate auf (etwa in Zählungen/sek.) Die Zählrate wird im Statistikfeld als Mittelwert angezeigt.

11. Vergleichen Sie diese Zählrate mit der gesamten Peak-Zählrate aus der PHA-Analyse in Schritt 6.

12. Deaktivieren Sie vor dem Fortfahren unbedingt das Aktivierungs-Kontrollkästchen im SCA-Dialog.

Mehrkanal-Scaler (Multi-Channel Scaler, MCS)

1. Wählen Sie unter dem Tab "Erfassung" der ProSpect-Software den PHA-Modusals Erfassungsmodus .

2. Stellen Sie unter dem MCA-Einstellungs-Tab der ProSpect-Software den Standard Conv Gain auf den für Ihren MCA zulässigen Maximalwert ein.

3. Ändern Sie unter dem Tab MCA-Einstellungen der ProSpect-Software den MCS-Wandlungsgewinn („MCS Conversion Gain“) auf den gleichen Wert wie den „Standard Conversion Gain“.

4. Stellen Sie unter dem MCA-Einstellungs-Tab der ProSpect-Software die Vorverstärkung („Coarse Gain“) und den Feingewinn („Fine Gain“) so ein, dass der Full-Energy-Peak nahe der Mitte des Spektrums liegt.

5. Löschen Sie das Spektrum. HINWEIS: Ändern Sie die Verstärkung nicht, nachdem Sie sie eingestellt haben.

6. Stellen Sie unter dem Tab Acquisition (Erfassung) der ProSpect-Software die voreingestellte Live-Zeit auf 60 Sekunden ein.

7. Drücken Sie Start und erfassen Sie das Spektrum. Stellen Sie sicher, dass der Full-Energy-Peak mehr als 3.000 Zählungen aufweist. Passen Sie die Preset Live-Zeit an, wenn weniger als 3.000 Zählungen im Full-Energy-Peak vorliegen.

8. Zeichnen Sie die Gesamtzahl der Zählungen im Spektrum auf und bewegen Sie den Mauszeiger über den Deadtime-Balken, damit Ihnen ein Tooltip angezeigt wird. Sie können auch einen ROI des gesamten Spektrums erstellen.

9. Löschen Sie das Spektrum.

10. Ändern Sie unter dem Tab Acquisition der ProSpect-Software den Erfassungsmodus von PHA in MCS.

11. Geben Sie unter dem Tab Acquisition die Verweilzeit ein, also die Zählzeit für jeden Speicherort (Kanal). Wählen Sie die Verweilzeit so aus, dass die Gesamterfassungszeit mit der Erfassungszeit in Schritt 6 vergleichbar ist. Denken Sie daran, dass beim MCS-Modus die Gesamterfassungszeit gleich der Gesamtzahl der Kanäle ist (vorgegeben durch die Einstellung des MCS-Wandlungsgewinns), multipliziert mit der Verweilzeit (im Fall einer Einzelerfassung (single Sweep)).

12. Wählen Sie unter den „Preset-Options“ die Option „Sweeps“. Geben Sie das Preset-Limit für den Sweep mit 1 ein.

13. Wählen Sie im Disc-Modus „MCS Fast Diskriminator“.

14. Drücken Sie Start, um das Spektrum zu erfassen.

15. Zeichnen Sie die Gesamtzahl der Zählungen im MCS-Spektrum auf.

16. Vergleichen Sie die MCS-Zählungen mit der Gesamtzahl der PHA-Zählungen aus Schritt 7 und denken Sie daran, die verschiedenen Zählzeiten zu berücksichtigen.

Multispektrale Skalierung (MSS)

1. Wählen Sie unter dem Tab "Erfassung" der ProSpect-Software den PHA-Modusals Erfassungsmodus .

2. Stellen Sie unter dem MCA-Einstellungs-Tab der ProSpect-Software den Standard Coarse Gain auf den für den MCA zulässigen Maximalwert ein.

3. Stellen Sie unter dem MCA-Einstellungs-Tab der ProSpect-Software die Vorverstärkung („Coarse Gain“) und den Feingewinn („Fine Gain“) so ein, dass der Full-Energy-Peak nahe der Mitte des Spektrums liegt.

4. Löschen Sie das Spektrum. HINWEIS: Ändern Sie die Verstärkung nicht, nachdem Sie sie eingestellt haben.

5. Stellen Sie unter dem Tab Acquisition (Erfassung) der ProSpect-Software die voreingestellte Live-Zeit auf 60 Sekunden ein.

6. Drücken Sie Start und erfassen Sie das Spektrum. Stellen Sie sicher, dass der Full-Energy-Peak mehr als 3.000 Zählungen aufweist. Passen Sie die Preset Live-Zeit an, wenn weniger als 3.000 Zählungen im Full-Energy-Peak vorliegen.

7. Erstellen Sie einen interessierenden Bereich (Region of Interest, ROI) rund um den Peak.

8. Zeichnen Sie die Netto-Peakfläche und die Gesamt-Peakfläche auf. Zeichnen Sie auch die unteren und oberen Kanäle des ROI auf.

9. Löschen Sie das Spektrum.

10. Öffnen Sie den Tab Acquisition der ProSpect-Software und ändern Sie den Erfassungsmodus von PHA zu MSS. Stellen Sie das Preset auf Live ein und geben Sie als Preset-Limit 10 Sekunden ein.

11. Gehen Sie zum Tab Spectogram, wählen Sie bei „Data to View“ (Anzuzeigende Daten) die Option MSS-Puffer und stellen Sie „Number of Datasets“ (Anzahl Datensätze) auf 8.

12. Starten Sie die Erfassung und zählen Sie so lange, bis die Gesamterfassungszeit mit dem PHA-Spektrum in Schritt 6 übereinstimmt. Denken Sie daran, dass die Gesamterfassungszeit für MSS gleich der Anzahl der gemessenen Datensätze multipliziert mit der voreingestellten Livezeit ist.

13. Klicken Sie unter dem Tab Spectrogram der ProSpect-Software mit der Maus auf die einzelnen MSS-Spektren in der Spektogrammgrafik und ziehen Sie bei gedrückter Maustaste, um sich jeweils durch das gesamte Spektrum zu bewegen.

14. Zeichnen Sie in jedem MSS-Spektrum die Anzahl der Peak-Zählungen im selben ROI wie bei der PHA-Analyse auf.

15. Addieren Sie die Peak-Zählungen aller MSS-Spektren und protokollieren Sie die Werte.

16. Vergleichen Sie die Summe der MSS-Peak-Zählungen mit den PHA-Peak-Zählungen.