УДК 53.087.44
А. Ю. ЗЕНИН
Д. П. САННИКОВ
A. Y. ZENIN
D. P. SANNIKOV
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ПОТОКА ИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
SOFTWARE AND HARDWARE SYSTEMS OF REGISTRATION AND RADIATION TREATMENT OF FLOW PULSE
Рассматривается устройство на базе микроконтроллера для регистрации потоков импульсов излучения малой интенсивности. Обсуждается реализация счетчика фотонов, предназначенного для работы в составе аналитических приборов рентгенофлуоресцентного анализа. Приведены описание программы для обработки результатов измерений и результаты экспериментальных исследований реализованного устройства.
Ключевые слова: микроконтроллер, рентгенофлуоресцентный анализ, оконный компаратор, счетчик импульсов.
The device is a microcontroller based pulse radiation fluxes for low intensity. Discusses how to implement the photon counter for the analytical instruments XRF analysis. Shows the description of the program for processing the results of the measurements and results of experimental research of the implemented device.
Keywords: microcontroller, x-ray fluorescence, window comparator, pulse count.
Регистрация оптических сигналов в режиме счета фотонов получила широкое распространение при создании приборов и устройств, используемых в различных областях научных исследований. К ним относятся приборы для астрономических наблюдений, анализаторы люминесценции и фосфоресценции разной природы, лидары [1, 2 ,5]. Приборы данного класса, применяемые для регистрации оптических сигналов, состоят из следующих функциональных блоков:
· фотодетектора в режиме регистрации однофотонных импульсов,
· модуля регистрации и первичной обработки,
· персонального компьютера (ПК) с необходимым программным обеспечением.
Согласно [5], модуль регистрации и первичной обработки может осуществлять различные операции с принимаемым сигналом. Это может быть простое накопление с разделением по временным интервалам (счетчик одноэлектронных импульсов), быстродействующий коррелятор [3], формирование гистограмм и другие преобразования, осуществляемые при измерении статистических характеристик светового потока [4].
Предлагаемая система предназначена для одноканальной регистрации слабых оптических сигналов с высоким временным и амплитудным разрешением.
Описываемый аппаратный комплекс функционально состоит из приемника излучения, блока усиления, оконных дискриминаторов уровня импульсов, счетчика импульсов, интерфейса связи с персональным компьютером по стандарту USB 2.0.
Для преобразования излучения в электрический сигнал часто используют лавинный фотодиод, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или пропорциональный детектор, работающие в режиме счета однофотонных импульсов. Поток импульсов с выхода фотоприемника поступает на модуль предварительного усиления и программно управляемый амплитудный ("оконный") дискриминатор, служащий для селекции анализируемых импульсов на фоне шумовых и формирования счетных импульсов.
Входной сигнал после предварительного усилителя поступает на входы аналоговых компараторов микроконтроллера семейства ATXmega (МК). В процессе конфигурации микроконтроллера к этим выводам подключаются неинвертирующие входы компараторов, встроенных в микроконтроллер. Инвертирующие входы этих компараторов подключаются к выводам микроконтроллера, на которые подается напряжение с цифроаналогового преобразователя, также встроенного в микроконтроллер.
Компаратор ACB.0 детектирует выход амплитуды входного сигнала за пределы нижней границы («ПОРОГ»). Выход компаратора через канал системы событий подключен к входу встроенного в МК счетчика TCD, при этом значение его счетного регистра увеличивается на 1 при наступлении события.
Компаратор ACB.1 детектирует выход амплитуды входного сигнала за пределы верхней границы («ОКНО»). Выход компаратора через канал системы событий подключен к входу встроенного в МК счетчика TCE. Алгоритм работы описан выше.
После окончания заданного интервала времени («ВРЕМЯ НАКОПЛЕНИЯ») формируется прерывание, при выполнении которого программно производится расчет количества импульсов, попавших в границы окна путем вычитания из значения счетного регистра счетчика TCD значения счетного регистра счетчика TCE. Далее микроконтроллером производится преобразование полученного числа в строковый формат с последующим выводом его на дисплей и передачей его на ПК для последующего анализа.
Питание блока и связь с компьютером осуществляется по интерфейсу USB.
Для самопроверки блока регистрации и программного обеспечения ПК предусмотрен тестовый режим. Для этого необходимо установить перемычку на плате и подать с компьютера команду «ТЕСТ СТАРТ», при этом формируемый на выводе МК сигнал поступает через перемычку на входы компараторов, где происходит его обработка.
Для анализа полученных от блока регистрации данных разработана программа «Регистратор». При запуске программы необходимо задать параметры связи с прибором (номер порта, скорость передачи информации, количество битов и т. д.).
Общий вид окна программы приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Общий вид окна программы
Начало каждого сеанса приема данных отмечается выводом информации о значении уровней «ОКНО» и «ПОРОГ», и времени накопления. Каждая строка с такой информацией начинается со знака «>».
Одновременно, для наглядности, данные, полученные от блока, отображаются в графическом виде.
При нажатии на кнопку «СТАРТ/ОБНОВЛЕНИЕ» открывается окно смены параметров счета. Здесь устанавливается значение уровня «ОКНО», «ПОРОГ», а также «ВРЕМЯ НАКОПЛЕНИЯ». При необходимости можно ввести комментарии. При нажатии на кнопку «ОК» производится передача данных (значение регистров «порог», «окно» и «время накопления») в блок регистрации и закрытие окна смены параметров.
Кнопки «ТЕСТ СТАРТ» и «ТЕСТ СТОП» применяются для запуска и остановки режима самоконтроля, при этом необходимо установить перемычку в блоке регистрации. Пример данных самотестирования приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Пример полученных данных
Полученные от блока регистрации данные сохраняются в формате "txt". Командой «Параметры – Настройка» производится открытие окна настройки параметров самоконтроля прибора и отображения данных. Общий вид окна настройки приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Общий вид окна настройки
Информация отображается в реальном режиме времени во время счета, что позволяет наблюдать динамику изменения содержимого счетчика в линейных координатах в виде точечного графика.
В программе реализованы следующие алгоритмы измерения посредством установки параметров:
– режим сканирования «ОКНОМ» – выполняется накопление числа импульсов с заданным уровнем, находящихся в «ОКНЕ» в течение заданного интервала времени, отображение на экране и затем смещение «ОКНА». Сканирование продолжается до тех пор, пока алгоритм не будет остановлен или не будет достигнут верхний предел диапазона сканирования;
– режим сканирования «ПОРОГОМ» – осуществляется накопление данных за заданное время, при этом регистрируются импульсы, амплитуда которых превышает изменяемый с каждым очередным наступающим интервалом времени уровень «ПОРОГА»;
– режим «осциллографа» – производится накопление и отображение числа импульсов с заданным уровнем, в течение заранее заданного времени без изменения уровней «ОКНА» и «ПОРОГА».
Для регистрации импульсов флуоресцентного рентгеновского излучения блок регистрации подключался к пропорциональному проточному детектору, установленному в приборе СРМ-25, и параллельно к цифровому запоминающему осциллографу. В данном эксперименте регистрировались импульсы флуоресцентного рентгеновского излучения от аргона (Ar) и марганца (Mn). Вид полученных импульсов представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 –Импульсы рентгеновского флуоресцентного излучения
на выходе ФЭУ
Заметно, что амплитуда импульсов не одинакова, что подтверждает необходимость применения «оконного» компаратора для их корректной регистрации.
Путем сканирования «ОКНОМ» и обработкой данных в EXCEL получен график амплитудного распределения импульсов, приведенный на рисунке 5. По горизонтали расположены энергетические каналы, по вертикали – число импульсов с данной энергией, зарегистрированных за единицу времени. На графике, для наглядности, удалены данные от шумовых импульсов малой амплитуды, так как их частота в сотни тысяч раз превосходит частоту анализируемых импульсов. После такой обработки на диаграмме различимы два пика – с меньшей амплитудой от аргона, который содержится в детекторе, и с большей амплитудой – от анализируемого образца марганца.
Рисунок 5 – График амплитудного распределения импульсов
Устройство регистрации можно использовать совместно с любыми фотоприемниками и детекторами, обеспечивающими в режиме счета фотонов уровень выходного сигнала не менее 1 мВ на нагрузке 50 Ом. Динамический диапазон оптического сигнала, выраженный через скорость поступления фотонов в секунду, укладывается в диапазон от 0,1 Гц до 9 МГц.
Некоторые параметры устройства регистрации приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные параметры устройства регистрации
Параметр | Min. | Type. | Max. |
Уровень «ПОРОГ» и «ОКНО», мВ | 1 | 850 | |
Шаг перестройки, мВ | 1 | ||
Емкость счетчика | 232 | ||
Время накопления, с. | 0, 1 | 120 | |
Шаг перестройки времени накопления, с. | 0,01 | ||
Частота входного сигнала, Гц | 0,1 | 9000000 |
Продемонстрированный подход позволяет без модификации аппаратной части проектировать и изготавливать различные устройства цифровой обработки данных, полученных от фотоприемных устройств (лавинных фотодиодов, ФЭУ), работающих в режиме счета фотонов. Для модификации алгоритма обработки потока фотонов достаточно изменить программное обеспечение, установленное на персональном компьютере. Рассмотренное устройство может найти непосредственное практическое применение в качестве амплитудного дискриминатора в приборах рентгенофлуоресцентного анализа, выпускаемых ЗАО "Научприбор". В тоже время на основе предлагаемого программно-аппаратного комплекса предлагается создание серии приборов для исследования и контроля различных процессов излучения малой световой интенсивности, так и ионизирующих излучений. Примером таких приложений служат приборы хемилюминесцентного контроля и дозиметры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Photon Counters from Becker & Hickl, PMM-328 8 Channel Gated Photon Counter / Multiscaler [электронный ресурс]. URL: http://www. becker-hickl. de.
2. High Speed Optical Multiscalers Gated Counters & Boxcar Modules. [Электронный ресурс]. URL: www. .
3. Е. Джейкман. Корреляция фотонов, в кн. «Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов», – М.: Мир, 1976. – С. 71 – 145 (пер. с англ. под ред. ).
4. , , Нагорный счетчики одноэлектронных импульсов. // Исследовано в России [Электронный журнал]. – 2005. – URL: http://zhurnal. ape. *****/articles/2005/088.pdf.
5. , , Программно-аппаратный комплекс многоканальной регистрации и обработки потока одноэлектронных импульсов // Институт оптики атмосферы им. Сибирского отделения РАН, “ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ” [Электронный журнал]. № 3, 2012. URL: http://jre. *****/win/mar12/11/text. html
, г. Орёл
Тел. +7-58
E-mail: *****@***com
ФГБОУ ВПО «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл
К. т.н., ст. преподаватель кафедры «Информационные системы»
Тел. +7(48
E-mail: *****@***ru
