Expérience de laboratoire 6 : Traitement de signal numérique avec électronique

Objectif :

1. Pour montrer les différentes étapes de traitement du signal dans un processeur de signal numérique.
2. Pour démontrer l'utilisation de l'oscilloscope numérique.

Équipement requis :

Aperçu théorique :

Fonctions de détecteur et d'amplificateur

La détection et l'analyse des particules chargées, des rayons gamma et des rayons X sont très similaires. Un détecteur est essentiellement un capteur qui produit un signal lorsqu'une particule ou un photon y pénètre. Un détecteur à semi-conducteur a généralement besoin d'une tension de polarisation pour créer un champ électrique qui collecte la charge générée dans le volume du détecteur. Dans les détecteurs à scintillateur, une tension de polarisation est nécessaire pour le fonctionnement du tube photomultiplicateur. Un détecteur utilisé pour la spectrométrie produit un signal proportionnel à l'énergie du photon déposé dans le détecteur. Cette impulsion est très faible et doit être amplifiée et appariée à l'équipement d'analyse. En général, l'amplification est accomplie en deux étapes : un étage de pré-amplification et un étage d'amplification primaire.

En général, le préamplificateur est situé très près du détecteur, tandis que l'amplification primaire, généralement effectuée à l'aide d'un analyseur multicanal (MCA), peut-être à une certaine distance du détecteur, parfois de nombreux mètres. Différents types de détecteurs nécessitent des types de préamplificateurs spécifiques, mais les principes de fonctionnement de base sont généralement similaires.

Le préamplificateur intègre l'impulsion de charge du détecteur pour produire une impulsion de tension dont le temps de montée est compatible avec le temps de réponse du détecteur, généralement de 10 à 200 nanosecondes, suivi d'une durée de dégradation plus longue, allant de quelques microsecondes à plusieurs microsecondes, ce qui représente la décharge de la boucle de rétroaction du préamplificateur conçue pour réinitialiser le système pour la prochaine impulsion. Un préamplificateur de réinitialisation du transistor ne se décharge pas après chaque événement, mais seulement après la collecte de plusieurs volts, ce qui représente des dizaines d'événements individuels. Bien qu'il puisse y avoir des différences dans la décharge du préamplificateur, le principe de base s'applique toujours que la quantité de tension induite par l'impulsion est proportionnelle à la quantité d'énergie ionisante injectée dans le détecteur par la radiation incidente.

Même si le préamplificateur est conçu pour renforcer instantanément le faible signal du détecteur et réinitialiser le système, ce signal est généralement insuffisant pour extraire de manière fiable la signature énergétique de l'impulsion. Un étage d'amplification primaire ou de mise en forme est toujours nécessaire pour affiner davantage l'impulsion pour être en mesure d'obtenir la mesure la plus précise de la tension. Dans la mise en forme analogique traditionnelle, l'impulsion du préamplificateur passe par des filtres de différenciation (CR) et d'intégration (RC) pour produire un signal d'impulsion de forme semi-gaussienne adapté à la numérisation dans un convertisseur analogique-numérique.

Les techniques de traitement du signal modernes impliquent la numérisation du signal directement à partir de la sortie de l'étage de préamplificateur. Cette impulsion numérisée peut ensuite être manipulée numériquement pour extraire la hauteur d'impulsion la plus précise. Le traitement numérique des impulsions (DPP) permet de développer des fonctions de filtrage qui ne sont pas possibles avec le traitement analogique traditionnel. En outre, en raison du stade précoce de la numérisation, le DPP est généralement plus stable face aux changements dans l'environnement, la température et l'humidité, et plus rapide que le traitement analogique.

Le filtre trapézoïdal est une fonction de filtrage typique de la mise en œuvre DPP qui offre une résolution de l'énergie optimale. Les principes de base d'un filtre trapézoïdal prennent en compte deux moyennes mobiles d'un nombre déterminé de canaux à partir du signal numérisé d'entrée. La première moyenne couvre une gamme de temps déterminée par le « temps de montée » trapézoïdal. Le « temps de montée à plat » trapézoïdal est utilisé pour calculer la deuxième moyenne pour le même temps de montée.

Le panneau de gauche de la figure 6-1 présente ces deux plages de temps. Le signal filtré est alors une différence de ces deux signaux ; comme on le voit dans le panneau de droite de cette figure. Le filtre trapézoïdal peut ensuite être représenté comme :

Où :

Et :

Dans ces équations :
V _in est la tension d'entrée dans le filtre.
V _out est la tension de sortie par le filtre.
RT est le temps de montée défini par l'utilisateur.
FT est le sommet plat défini par l'utilisateur.

Figure 6-1 : Le panneau de gauche montre les paramètres du filtre trapézoïdal et la sortie résultante du filtre est affichée dans le panneau de droite. La trace bleue représente le signal d'entrée, tandis que la trace rouge représente le signal formé.

Le paramètre de temps de montée représente un filtre pour lisser le signal d'entrée et filtrer le bruit haute fréquence, ce qui peut affecter l'extraction du signal d'énergie. En général, le paramètre à sommet plat est défini pour être plus grand que le temps de collecte de charge du détecteur. Le temps de montée et le sommet plat peuvent être optimisés pour atteindre la résolution de l'énergie ou le rendement.

Dans les exemples ci-dessus, il convient également de noter qu'une fonction en escalier pure est utilisée. Il s'agit d'une bonne approximation pour les impulsions d'entrée du préamplificateur (sur l'échelle du temps de montée du signal), mais ne tient pas compte de la durée de dégradation de l'impulsion, qui est compensé par une correction pole-zéro.

Après l'identification d'un signal énergétique, il existe plusieurs façons d'utiliser ce signal :

Analyse monocanale (SCA) : Un signal numérique est émis si le signal d'énergie se trouve entre une gamme de canaux désignés par une gamme de discriminateur de niveau inférieur (LLD) et une gamme de discriminateur de niveau supérieur (ULD). Les nombres de comptages par seconde sont généralement affichés.

Mise à l'échelle du multicanal (MCS) : comparable au mode d'analyse monocanale, mais au lieu d'enregistrer les données dans un histogramme temporel, ce sont les taux de comptage successifs qui sont enregistrés.

Analyse d'amplitude des impulsions (PHA) : Les énergies sont enregistrées dans un histogramme d'énergie dans lequel les hauteurs d'impulsion sont classées par canal et le nombre de chaque canal représente le nombre de fois qu'une hauteur d'impulsion spécifique a été enregistrée dans un temps de mesure donné.

Mise à l'échelle multispectrale (MSS) : Ceci est similaire au mode d'analyse d'amplitude des impulsions, mais un histogramme d'énergie est enregistré à de courts intervalles de temps comme défini par le temps de séjour du système.

Mode liste horodatée (TLIST) : Dans ce mode, l'heure à laquelle un événement se produit, à 100 ns près, est enregistrée avec l'énergie de l'événement. Ces données sont stockées sous la forme d'une liste de paires temps-énergie qui peuvent être traitées plus tard dans l'un des quatre types de données ci-dessus. Bien qu'il s'agisse de la plus générale des options de stockage de données, elle utilise également la plus grande quantité de mémoire.

Guide de l'expérience 6 :

Effet du temps de montée et du sommet plat

1. Reliez le détecteur NaI (Tl) au DSA Lynx II via le préamplificateur 2007P et reliez le DSA Lynx II au PC directement, ou via votre réseau local. Voir la figure 6-2.

2. Placez la source ¹³⁷ Cs devant le détecteur.

3. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et connectez au DSA Lynx II.

4. Personnalisez les paramètres de l'analyseur multicanal comme recommandé dans l'expérience 1.

5. Utilisez le logiciel pour appliquer la polarisation recommandée du détecteur au détecteur NaI (Tl).

6. Dans l'onglet Paramètres de l'analyseur multicanal, démarrez la fonction d'oscilloscope numérique (DSO) du logiciel ProSpect pour afficher le signal d'entrée analogique.

7. Réglez la trace analogique sur le convertisseur analogique-numérique pour afficher le signal d'entrée analogique.

8. Notez combien de temps, il faut au signal pour atteindre son maximum, puis combien de temps, il faut pour revenir à la ligne de base d'origine.

9. Configurez la trace analogique sur l'énergie avec le DSO pour afficher la figure trapézoïdale numérique.

10. Mesurez la RT et le FT sur le DSO.

11. Dans l'onglet Paramètres de l'analyseur multicanal sous les paramètres du filtre, lisez le RT et le FT. Vérifiez que ces derniers correspondent aux valeurs de l'étape 10.

12. Modifiez le paramètre RT. Enregistrez le temps de montée réel sur le DSO.

13. Modifiez le paramètre FT. Enregistrez le sommet plat réel sur le DSO.

14. Réglez RT et FT aux valeurs d'origine.

Effet de l'optimisation des paramètres de temps de montée et de sommet plat

1. Dans l'onglet Paramètre d'acquisition du logiciel ProSpect, définissez le mode d'acquisition sur le mode de l'analyse d'amplitude des impulsions.

2. Réglez le gain grossier et le gain fin de sorte que le pic d'énergie maximale soit proche du centre du spectre.

3. Ajustez la calibration de l'énergie de sorte que le pic photoélectrique soit d'environ 662 keV. Veuillez noter que le spectre peut différer de la calibration de l'énergie pendant cette section de l'expérience, et les valeurs rapportées doivent donc être examinées attentivement.

4. Dans l'onglet Paramètres de l'analyseur multicanal, les paramètres du filtre, définissez un RT de 0,6 µs et un FT de 0,1 µs.

5. Effacez le spectre.

6. Acquérez le spectre pendant une minute (comptez plus longtemps s'il y a moins de 3 000 comptages dans le pic).

7. Créez une région d'intérêt (ROI) autour du pic d'énergie maximale. À l'aide de l'infobulle, enregistrez le FWHM, le FWTM et le centroïde du pic.

8. Changez RT de 0,6 µs à 3,0 µs par incréments de 0,6 µs et répétez les étapes 5 à 7.

9. Changez FT de 0,1 µs à 1,1 µs par incréments de 0,2 µs et répétez les étapes 5 à 8.

10. Tracez la résolution de l'énergie en pourcentage, FWHM/centroïde * 100, en fonction du temps de montée pour chaque configuration de sommet plat. Cela supprimera la dépendance de la calibration de l'énergie et est une pratique standard pour le rapport de la résolution de l'énergie des détecteurs à scintillateur.

11. Déterminez quelle combinaison de RT et de FT produit la résolution de l'énergie la plus faible (c'est-à-dire la meilleure). Réglez RT et FT à ces paramètres.

Figure 6-2 : Raccordements de câble

Analyse monocanale (SCA)

1. Dans l'onglet Paramètre d'acquisition du logiciel ProSpect, définissez le mode d'acquisition sur le mode de l'analyse d'amplitude des impulsions.

2. Réglez le gain grossier et le gain fin de sorte que le pic d'énergie maximale soit proche du centre du spectre.

3. Effacez le spectre.

6. Acquérez le spectre pendant une minute (comptez plus longtemps s'il y a moins de 3 000 comptages dans le pic).

5. Créez une région d'intérêt (ROI) autour du pic.

6. Enregistrez la zone de pic, le nombre de pic total et le temps actif. Enregistrez également les canaux inférieur et supérieur du ROI.

7. Sélectionnez les analyseurs multicanaux dans le menu des options des paramètres de l'analyseur multicanal.

8. Divisez la gamme de canaux complète (2048) par le canal ROI inférieur et multipliez-le par 100. L'entrée LLD requise est transformée en pourcentage de la gamme de canaux complète pour le canal ROI inférieur. Réglez le LLD à cette valeur.

9. Comprenez et définissez l'ULD de manière similaire à l'étape 8, mais avec le canal ROI supérieur.

10. Cochez la case Activer pour lancer l'acquisition de l'analyse monocanal. Ouvrez le visionneur de série temporelle à partir de l'onglet Paramètres de l'analyseur multicanal et enregistrez le taux de comptage d'analyse monocanal, c'est-à-dire les comptages/sec. Le taux de comptage est affiché comme moyenne dans la boîte de statistiques.

11. Comparez ce taux de comptage au taux de comptage de pic total dans l'analyse d'amplitude des impulsions à l'étape 6.

12. Assurez-vous de désélectionner la case à cocher « Activer » dans la boîte de dialogue de l'analyse monocanale avant de poursuivre.

Échelle du multicanal (MCS)

1. Dans l'onglet Paramètre d'acquisition du logiciel ProSpect, définissez le mode d'acquisition sur le mode de l'analyse d'amplitude des impulsions.

2. Dans l'onglet de paramètre de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect, définissez le Gain de Conv standard à la valeur maximale autorisée par votre analyseur multicanal.

3. Dans l'onglet Paramètres de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect, le « Gain de conversion MCS » est remplacé par le « Gain de conversion standard ».

4. Dans l'onglet de paramètre de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect, ajustez le « gain grossier » et le « gain fin » de sorte que le pic d'énergie maximale soit proche du centre du spectre.

5. Effacez le spectre. REMARQUE : ne modifiez pas le gain une fois que vous l'avez défini.

6. Dans l'onglet Paramètre d'acquisition du logiciel ProSpect, définissez le temps actif prédéfini à 60 s.

7. Appuyez sur Démarrer et acquérez le spectre. Assurez-vous que le pic d'énergie maximale a plus de 3 000 comptages. Ajustez le temps de vie prédéfini s'il y a moins de 3 000 comptages dans le pic d'énergie maximale.

8. Enregistrez le nombre total de comptages dans le spectre, passez la souris sur la barre de temps mort pour une infobulle ou créez une région d'intérêt du spectre complet.

9. Effacez le spectre.

10. Dans l'onglet Acquisition du logiciel ProSpect, modifiez le mode d'acquisition de l'analyse d'amplitude des impulsions en MCS.

11. Dans l'onglet Acquisition, entrez le temps de séjour, qui est le temps de comptage pour chaque emplacement de mémoire (canal). Sélectionnez un temps de maintien qui est comparable au temps d'acquisition à l'étape 6. Rappelez-vous que le temps d'acquisition total pour le mode MCS est égal au nombre total de canaux (fourni par votre paramètre de gain de conversion MCS) multiplié par le temps de maintien (supposant un seul balayage).

12. Dans les « Preset Options », sélectionnez « Balayages ». Entrez la limite de préréglage pour le balayage sur 1.

13. En mode disque, sélectionnez « Discriminateur rapide MCS ».

14. Appuyez sur Démarrer pour acquérir le spectre.

15. Enregistrez le nombre total de comptages dans le spectre MCS.

16. Comparez les comptages MCS au nombre total de comptages d'analyse d'amplitude des impulsions de l'étape 7, rappelez-vous de corriger en fonction des différents temps de comptage.

Mise à l'échelle multispectrale (MSS)

1. Dans l'onglet Paramètre d'acquisition du logiciel ProSpect, définissez le mode d'acquisition sur le mode de l'analyse d'amplitude des impulsions.

2. Dans l'onglet Paramètre de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect, définissez le Gain grossier standard à la valeur maximale autorisée par l'analyseur multicanal.

3. Dans l'onglet des paramètres de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect, réglez les gains grossier et fin de manière à ce que le pic d'énergie maximale soit proche du centre du spectre.

4. Effacez le spectre. REMARQUE : ne modifiez pas le gain une fois que vous l'avez réglé.

5. Sélectionnez l'onglet Paramètres d'acquisition dans le logiciel ProSpect et entrez 60 secondes pour le temps de vie prédéfini.

6. Appuyer sur Démarrer et réquisitionnez le spectre. Assurez-vous que le pic d'énergie maximale a plus de 3 000 comptages. Ajustez le temps de vie prédéfini s'il y a moins de 3 000 comptages dans le pic d'énergie maximale.

7. Créez une région d'intérêt (ROI) autour du pic.

8. Enregistrez la zone de pic nette et la zone de pic totale. Enregistrez également les canaux inférieur et supérieur du ROI.

9. Effacez le spectre.

10. Accédez à l'onglet Acquisition du logiciel ProSpect et modifiez le mode d'acquisition de l'analyse d'amplitude des impulsions à MSS. Réglez le préréglage à l'état actif et pour la limite de préréglage, entrez 10 s.

11. Accédez à l'onglet Spectrogramme et définissez les « données à voir » dans le tampon MSS et le « nombre de jeux de données » à 8.

12. Commencez l'acquisition et poursuivez le comptage jusqu'à ce que le temps d'acquisition total soit le même que le spectre de l'analyse d'amplitude des impulsions à l'étape 6. N'oubliez pas que pour le MSS, le temps d'acquisition total est égal au nombre d'ensembles de données mesurés multiplié par le temps de vie prédéfini.

13. Dans l'onglet Spectrogramme du logiciel ProSpect, utilisez la souris, cliquez et faites glisser sur le tracé du spectrogramme pour vous déplacer dans chacun des spectres MSS.

14. Notez le nombre de pics de comptage dans le même ROI que l'analyse d'amplitude des impulsions dans chaque spectre MSS.

15. Ajoutez les comptages de pic de tous les spectres MSS ensemble et enregistrez-les.

16. Comparez le total des comptages de pic MSS aux comptages de pic de l'analyse d'amplitude des impulsions.