Aplikace virtuální instrumentace v experimentech jaderné fyziky

Jiří Pechoušek, Milan Vůjtek

Aplikace virtuální instrumentace v experimentech jaderné fyziky Moderní měřicí a testovací systémy se neobejdou bez využití počítačové techniky. Měřicí přístroje, které lze ovládat pomocí počítače, se uplatňují ve všech odvětvích vědy a techniky. V posledních desetiletích se v měřicích systémech pro jadernou fyziku využívá čím dál častěji programovací prostředí LabVIEW, které poskytuje moderní a populární formu vývoje spektroskopickýh systémů. V tomto textu je podán základní přehled o možnostech aplikace tzv. virtuální instrumentace a laboratoních systémech, které se využívají v jaderné fyzice. Text je překladem kapitoly s názvem "Application of virtual instrumentation in nuclear physics experiments", která vyšla jako součást knihy "LabVIEW, Practical Applications and Solutions"v nakkladatelství InTech (ISBN 978-953-307-314-9, editor: Dr. Eng. Folea Silviu, Assoc. Prof., Technical University of Cluj-Napoca, Romania). Celá kniha je volně přístupná na stránkách vydavatelství InTech a každá kapitola je stažitelná ve formě pdf dokumentu http://www.intechopen.com/books/show/title/labview-practicalapplications-and-solutions. Hlavní tétamta diskutovaná v knize jsou: grafické programování, programování typu dataflow, měřicí systémy, techniky zpracování dat (DAQ), zpracování signálů (signal processing), využití měřicího harware, pokročilé analýzy, řízení a simulace, data-management, nahrávání a tvorba zpráv, automatizace a ověřovací systémy, vestavěnné systémy, virtuální experimenty, virtuální instrumentace, experimentální techniky, laboratoře se vzdáeným přístupem, internetové komunikace, vzdělávání, atd. V nakladatelství InTech je to již druhá kniha o využití LabVIEW. První kniha �Labview Modeling, Programming and Simulations� je dostupná stejnou formou. http://www.intechweb.org/books/show/title/labview-modeling-programming-and-simulations. K  

verze z 6. února 2012

U P  O

© volně šířitelný text

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky (CZ.1.07/2.2.00/07.0018).

Obsah 1. Virtuální instrumentace v jaderné fyzice

3

2. Zpracování signálu z detektoru - digitalizace 2.1. Digitální osciloskopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Zpracování signálů – tvarování pulzů a měření amplitudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Aplikace signálového analyzátoru a MCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 5 7 9

3. Techniky měření Time-of-flight a koincidence 3.1. Koincidenční měření doby života . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 12

4. Další 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

DSP metody používané v jaderných systémech realizovaných pomocí VI Funkční generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synchronizační a trigrovací techniky implementované pomocí sběrnice RTSI Trigrování s NI-FGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trigrování s NI-SCOPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Mössbauerova spektroskopie 5.1. Konfigurace spektrometru . . . . . . . . . . . . 5.2. Amplitudový analyzátor a akumulace spekter 5.3. Systém řízení rychlosti . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Použití VI spektrometrů . . . . . . . . . . . . . . 6. Použitá literatura

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

14 14 14 15 15

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

17 17 18 19 20 21

2

1.

Virtuální instrumentace v jaderné fyzice

Nové postupy při návrhu počítačem řízených měřicích systémů lze dnes pozorovat v použití moderních, řídicích a testovacích systémů založených na spolehlivých zařízeních. Digitální zpracování signálů DSP (digital signal processing) je používáno ve všech inženýrských oblastech, včetně experimentů v jaderné fyzice, pro účely nahrazení konvenčních analogových systémů a pro tvorbu měřicích a testovacích systémů s jednoduchou konfigurací, uživatelsky příjemným rozhraním, a možností provádět sofistikované experimenty. DSP systémy se aplikují v experimentech jaderné fyziky pro jejich vysokou výkonnost jak v energetické, tak i časové doméně. Používají se zde různé programovací techniky a přístrojová řešení, včetně mnoha komerčních zařízení. Dnes jsou jaderné DSP systémy realizovány pomocí techniky virtuální instrumentace (VI) prováděné v grafickém programovacím prostředí LabVIEW. Výhodou tohoto řešení je použití připravených měřicích funkcí (DSP algoritmů), přístrojových ovladačů dodávaných s měřicím zařízení, a v možnosti vylepšovat částečně systém, jsou-li k dispozici nové algoritmy nebo zařízení. S těmito možnostmi systém, využívající VI techniky a založený na komerčních měřicích kartách (USB, PCI, PXI atd.), může být řízen jakoukoli vhodně vyvinutou aplikací. Takovýto systém je pak v podstatě „hardwarově nezávislý“ na použité platformě. V nedávné době bylo a dnes je publikováno mnoho vědeckých prací, které se zabývají prováděním jaderně-fyzikálních experimentů, a v několika z nich bylo úspěšně využito LabVIEW. Tento text se zaměřuje na popis jaderných systémů, které využívají VI koncept v co nejvyšší míře a ve kterých je velký počet systémových funkcí realizován v softwarové formě. První ukázkou může být vývoj počítačem řízeného nukleárního detekčního systému a pracující současně jako výukový laboratorní přístrojový systém (Ellis &� He, 1993), kde je prezentováno sofistikované uspořádání různých měřicích zařízení. Simulace a analýza přístrojů pro jadernou fyziku s využitím LabVIEW je prováděna v (Abdel-Aal, 1993). Systém využívající výkonný digitizér pro fyziku vysokých energií využívající jaderné detektory popsaný v (Kirichenko et al., 2001) představuje časový digitální systém ve VXI modulárním systému. Digitální systém s FPGA polem pro detekci rychlých jaderných pulzů (Esposito et al., 2007) je používán pro přímé vzorkování rychlých pulzů z jaderných detektorů. Aplikace virtuální instrumentace ve fyzice popsaná v (Tlaczala, 2005) představuje aplikace analyzátoru intenzity γ-záření, analýzu dat a jejich prezentaci. Modely pokročilých experimentů z jaderné fyziky a měření jsou prezentovány ve formě virtuální laboratoře se simulovanými experimenty v (Tlaczala et al., 2008). Práce představuje dva simulované experimenty, které je možné jednoduše provádět i přes vzdálený přístup (γ-energetická diskriminace a Mössbauerova spektroskopie). Systém digitálního zpracování pulzů (Belli et al., 2008) je aplikován pro zpracování dat z n-γ detektorů. Tento systém využívá FPGA pole. Popis univerzálního, počítačem řízeného monitoru γ-záření je prezentován v (Drndarevic � Jevtic, 2008) a podobný VI koncept využitý u spektrometru γ-částic v (Drndarevic, 2009). Virtuální měřicí systém s automatickým časováním čítání postavený na modulu čítače/časovače (counter/timer) je uváděn v (Yan et al. 2009). Vývoj prototypu automatického spektrofluometru, schopného provádět měření časově-rozlišitelné fluorescence, je popsán v (Moreno et al., 2011). Systém je založen na LabVIEW aplikaci a program řídí monochromátor, čte informaci ze signálu z časového (časově-rozlišujícího) detektoru měřeného digitálním osciloskopem. Algoritmy detekce rychlých pulzů v navzorkovaných průbězích ze scintilátorů (detektorů ionizujícího záření) v (Krasilnikov et al., 2011) jsou implementovány do aplikace, která provádí diskriminaci tvarů pulsů z n-γ detektorů. V DSP systému postaveném na využití LabVIEW (Pechousek et al., 2011) je využita VI technika při vývoji systému, který provádí měření v jaderné spektroskopii, jako jsou amplitudové a časové analýzy. Systém je založen na vysokorychlostním digitizéru, který zpracovává data ze dvou simultánně vzorkovaných měřicích kanálů, a je dostatečně rychlý pro zachytávání pulzů z různých typů jaderných detektorů. Uvedený systém je vhodný pro aplikace měření časové koincidence, kde se používají dva měřicí kanály pro detekci počátečních a konečných jaderných událostí (start/stop). VI koncept byl také použit při vývoji tzv. plně-LabVIEW řízeného Mössbauerova spektrometru (Pechousek et al., 2005, 2007, 2010, 2011). Tento systém je založen na jevu jaderné rezonanční absorpce a emise γ-záření.

3

2.

Zpracování signálu z detektoru - digitalizace

Existuje mnoho typů spektroskopií různých druhů záření, jako je γ-záření, rtg-záření, spektroskopie nabitých částic (alfa, elektrony, protony, atd.), neutrony, hmotnostní, časová a další, které využívají různé vlastnosti záření ke studiu materiálů a částic (Ahmed, 2007; Gilmore, 2008). Dnes je možné každé takovéto spektroskopické měření provádět za použití DSP technik. Rozdíly pak spočívají zejména v typu použitého detektoru a celkovém (nadřazeném) procesu analýzy dat. Na druhé straně nízkoúrovňové DSP algoritmy a metody pro signálovou/pulzní analýzu mohou být podobné, či přímo stejné. Standardní struktura např. DSP spektroskopického systému γ-záření je zobrazena na obrázku 1. DSP algoritmy tak mohou nahradit mnoho analogových modulů.

... Obrázek 1: Blokový diagram standardního DSP spektroskopického systému.

Každý DSP systém musí používat nějaké zařízení pro přímou digitalizaci analogového signálu z detektoru. Rychlý digitální osciloskop (digitizér) zaznamenává výstupní signál z detektoru ionizujícího záření buď ve formě neupraveného signálu, nebo může zpracovávat pulzy procházející přes signálový zesilovač nebo jiný předzpracovávající modul. Jednotlivé pulzy ve zpracovávaném signálu představují registraci jaderných událostí (detekovány pomocí detektorů) a amplitudy píků obecně závisí na detekované energii. Předzesilovače se zde používají k zesílení nízkých (slabých) signálů a k propojení detektoru externími obvody s vysokou impedancí. Na obrázku 2 je ukázán typický zpracovávaný signál.

... Obrázek 2: Typický signál snímaný z jaderného detektoru.

Procesy zpracování dat, data acquisition (DAQ), se provádějí digitálně. Existují dva hlavní způsoby. Prvním způsobem je vzorkování dat (a přenos) digitálním osciloskopem, a jejich zpracování DSP programovým kódem. Druhým způsobem je vzorkování dat a jejich zpracování programovatelným hardwarem (nejčastěji s FPGA polem) s implementovanou DSP technikou. Dnes se velmi často používají komerční digitizéry buď ve formě zásuvné karty do počítače (modulu do modulárního systému), nebo jako stolní (stand-alone) přístroj propojený s počítačem přes rychlé komunikační rozhraní. Diskriminační vlastnosti digitizéru jsou funkcí vzorkovací rychlosti (S s−1 ) a rozlišení analogově digitálního převodníku (bit). Nízké 8bitové energetické rozlišení se většinou používá u velmi rychlého vzorkování, v řádech až GS s−1 . Dnešní systémy umožňují využít až 16bitové rozlišení se zachováním těchto vysokých vzorkovacích frekvencí (Aspinall et al., 2009) pro nejlepší časové rozlišení s rychlými detektory. Použitá vzorkovací frekvence k digitalizaci výstupního signálu z detektoru závisí na použitém typu detektoru. Vzorkovací frekvence s rychlostmi okolo 100 MS s−1 jsou považovány za dostatečně vysoké pro záznam pulzů z detektorů při zachování optimální diskriminace pulzu, a zabránění podvzorkování a zkreslení signálu, tzv. aliasing. Tedy pro většinu aplikací je časové rozlišení 10 ns dostatečné

4

pro provádění běžných časových měření, např. měření doby života a jiné koincidenční metody. Digitizér také správně měří, je-li jeho analogové přenosové pásmo dost široké, aby umožnilo signálu projít přes něj bez utlumení (National Instruments, 2009a). Dnes už jde jednoduše současně zvýšit energetické i časové rozlišení pomocí rychlých digitizérů nebo více pokročilými DSP technikami. Nevýhodou zvyšování vzorkovací frekvence a energetického rozlišení nebo mnohem robustnější DSP techniky je možné zvyšování mrtvé doby spektrometru vlivem přenosu dat a jejich zpracování, a tím také doje k celkovému snížení čítací rychlosti.

2.1. Digitální osciloskopy Pomocí moderních digitizérů je také možné provádět speciální trigrovací (spouštěcí) a synchronizační techniky. Tyto techniky umožňují aplikovat velmi sofistikované DAQ metody, ve kterých může pulz z detektoru přímo spouštět nebo-li trigrovat (převzato s anglické terminologie) další DAQ proces. V této sekci je prezentováno převážně použití technické a programové podpory pro přístrojové ovladače NI-SCOPE a vysokorychlostní digitizéry firmy National Instruments (NI). Použití NI digitizérů je uvedeno např. také v (Gontean & Szabó, 2011). Na obrázku 3 jsou znázorněny typy NI digitizérů pro různé platformy.

... Obrázek 3: USB, PCI a PXI vysokorychlostní digitizéry (National Instruments).

Přístrojový ovladač NI-SCOPE je sada softwarových rutin (podprogramů), které umožňují ovládat a programovat zařízení. Každý podprogram odpovídá programové operaci jako je konfigurace, čtení, zápis, a trigrování přístroje. Funkce přístrojového ovladače lze rozdělit do šesti kategorií – inicializace (initialize), konfigurace (configuration), akce/stav (action/status), data (data), služby (utility), a zavřít (close). Součástí tohoto přístrojového ovladače je také aplikace NI-SCOPE Soft Front Panel, která slouží k práci s NI digitizéry v módu měření (náhrada klasického přístroje bez nutnosti vytvářet tuto aplikaci). Při tvorbě blokového diagramu (v LabVIEW) je nutné dodržet několik pravidel a doporučení, viz NISCOPE Help (National Instruments, 2009a, 2010). Na obrázku 4 je znázorněna paleta funkcí NI-SCOPE, kde další podpalety obsahují funkce pro ovládání digitizéru a zpracování dat.

... Obrázek 4: NI-SCOPE paleta.

Funkce Initialize nastavuje ovladač a digitizér do známého stavu a spouští vlastní komunikaci s přístrojem. Konfigurační funkce konfigurují přístroj pro provádění daných operací před vlastním měřením. Funkce akce (akční) spouští nebo ukončují operace testování a měření. Stavové funkce (status function) vrací informaci o aktuálním stavu přístroje. Datové funkce obsahují volání (calls) pro přenos dat do nebo z přístroje. Pracovní (utility) funkce provádějí různé pomocné operace k nejčastěji volaným přístrojovým ovladačům (funkcí). Funkce zavření/ukončení (close) ukončuje softwarové propojení k přístroji a dealokaluje systémové prostředky používané během daného používání přístroje, session (National Instruments, 2009a). 5

Digram na obrázku 5 představuje základní programový tok při použití funkcí NI-SCOPE při aplikacích digitizéru. Tok dat (data flow) je následující. Pro každou aplikaci musí být otevřena session pro ustanovení komunikace s digitizérem, pomocí funkce Initialize. Po inicializaci se přístroj konfiguruje (vertikální a horizontální osy/scale, trigrovací možnosti) a odstartuje se DAQ proces. Data jsou pak čtena a přenášena do DSP algoritmů. Po skončení programu je DAQ proces zastaven (abort) a session se musí zavřít pomocí Close.

... Obrázek 5: LabVIEW kód s funkcemi ovladače NI-SCOPE.

Sestavený DSP modul (z obrázku 5) byl testován na platformách PXI, PCI, a USB, jmenovitě s digitizéry NI PXI-5102 (8bit, 20 MS s−1 ), NI PCI-5124 (12bit, 200 MS s−1 ), a NI USB-5133 (8bit, 100 MS s−1 ). V tomto případě jsou zesílené pulzy z detektoru zpracovávány pomocí funkce niScope Fetch (poly), která získává data, která digitizér zpracoval a vrací je jako jednodimenzionální pole binárních 8bit čísel.

6

2.2. Zpracování signálů – tvarování pulzů a měření amplitudy Detektory provádějí detekci a měření radiace. Elektronický detektor využívá určité detekční médium ke generování elektrického signálu, projde-li jím radioaktivní (ionizující) záření. Existují různé druhy detektorů ionizujícího záření a liší se ve způsobu interakce radioaktivního záření s látkou detektoru (Ahmed, 2007). Navržené DAQ procesy budou demonstrovány na signálech získaných ze scintilačních detektorů postavených na fotonásobiči (PMT - photomultiplier tube) s běžným NaI:Tl scintilátorem dvou různých tlouštěk, rychlém scintilátoru YAP:Ce, a pomalém plynovém proporcionálním čítači (GPC - gas filled proportional counter). Scintilátor NaI:Tl má vysokou světelnou výtěžnost a relativně dlouhou dobu dosvitu (decay time) 230 ns. Scintilátor YAP:Ce má mnohem menší světelnou výtěžnost (48 %) a krátkou dobu dosvitu 28 ns, a je vhodný pro detekci nízkých energií γ-záření. Optimální tloušťka pro nízké energie γ-záření, 14,4 keV (emitované radioaktivním zdrojem 57 Co) je 0,15 mm pro scintilátor NaI:Tl a 0,35 mm pro YAP:Ce (Kholmetskii et al., 1997). Fotonásobič je zde použit pro detekování tzv. scintilačních fotonů. Celkovým výsledkem je elektrický výstupní pulz s amplitudou dostatečně velkou pro změření digitizérem. V obou případech jsou nízkoenergetické detektory vyrobeny s integrovaným zdrojem vysokého napětí pro napájení PMT (obrázek 6). Vysokoenergetický detektor γ-záření je komerční detektor (Scionix) se scintilátorem NaI:Tl o tloušťce 51 mm a průměru 38 mm (obrázek 6). Plynový detektor GPC je plněný směsí xenon/metan a je vhodný zejména pro detekci rtg záření.

... Obrázek 6: Vysokoenergetický detektor – horní a nízkoenergetický detektor – dolní, fotonásobič.

Na obrázku 7 jsou ukázány zesílené signály (signálovým zesilovačem) ze dvou detektorů se scintilátorem a) YAP:Ce a b) silným NaI:Tl. Pulzy z daných detektorů jsou zpracovávány za účelem obdržení jejich místa (výskytu v sekvenci) a amplitudy. Signály jsou získány s radioaktivním zdrojem 57 Co a vzorkovací rychlostí 200 MS s−1 .

... Obrázek 7: Signály z detektorů s a) YAP:Ce (14,4 keV) a b) silným NaI:Tl (122 keV) scintilátorem.

Digitálně implementované funkce zpracování signálu (tvarování, filtrace, určování platnosti pulzu, měření energie a času, analýza tvaru pulzu, redukce šumu, potlačení tzv. pile-up efektu, amplitudová mnohakanálová analýza – MCA, atd.) může poskytnout jeden DSP systém pro různé druhy detektorů.

7

Dnes už existuje mnoho DSP systémů pro analýzu tvaru pulzů a určování, které jsou zejména aplikovány ve vysokorychlostních čítačích rtg a γ záření a jaderných částic. Metoda tvarování pulzů se používá pro zvýšení poměru signál/šum a také ke zvýšení rozlišení páru pulzů, tedy běžně používaná DSP metoda je korekce pile-up (spojení více pulzů v jeden). V případě jaderných detektorů - je-li použit vysoceaktivní zdroj a detektor s dlouhou dobou vybíjení (dosvitu) se může stát, že dvě a více událostí splyne v jednu a je tak zaznamenána a chybně vyhodnocena. Pro detekci, korekci nebo potlačení těchto pulzů se používají různé metody (Cosulich et al., 1992; Belli et al., 2008). Efekt pile-up ovlivňuje čítací rychlost a energetické i časové rozlišení spektroskopického systému. Pro potlačení efektu pile-up je také možné použít rychlé detektory, v tomto případě je ale nutné použít také rychlé DSP systémy. Nové DSP algoritmy se používají také pro optimální filtraci, určení času náběhu (rise-time) a vhodné korekci pulzu. DSP amplitudová analýza realizovaná v LabVIEW může být založena na LabVIEW funkci Waveform Peak Detection VI (v textu dále označována jako WPkD). Proces amplitudové analýzy je zde řízen několika vstupními parametry funkce WPkD (obrázek 8). Hodnoty amplitud detekovaných píků jsou pak použity pro pulzně výškovou analýzu.

... Obrázek 8: Ikona funkce Waveform Peak Detection VI.

Funkce WPkD vyhledává umístění (lokace, pozice), určuje velikost amplitudy a hodnotu druhé derivace píků v signálu z detektoru. Vstupní parametry práh (threshold) a šířka (width) slouží jako nástroje pro vyčlenění pulzů ze šumu. Parametr práh určuje minimální hodnotu amplitudy píku a šířka určuje minimální šířku píku vzhledem k počtu vzorků daného pulzu nad nastaveným prahem. Funkce WPkD je tedy softwarový ekvivalent elektronického pulzně výškového analyzátoru, kdy optimální zpracování signálu z různých detektorů je realizováno pomocí DSP. Implementace funkce WPkD v blokovém diagramu je znázorněna na obrázku 9.

... Obrázek 9: Implementace funkce WPkD.

Změnou vzorkovací rychlosti a pomocí změny parametrů prahu a šířky pro určení platnosti píku ve WPkD lze jednoduše provádět potlačení detekce neplatných píků a jejich čítání v následných algoritmech. Nicméně funkce WPkD neprovádí pile-up korekci ani potlačení, funkce sice většinou rozliší dva sečtené pulzy (příp. i více), ale bohužel jejich amplitudy nejsou opravené. Pro tyto aplikace je žádoucí použít vhodnější algoritmy. Tyto a některé další nevýhody uvedené funkce při použití zejména pro rychlé zpracování signálů jsou popsány v pracích (Krasilnikov et at., 2011; Pechousek et al., 2007, 2011), kde byly provedeny další úpravy nebo nové DSP algoritmy. Další jednoduchý DSP modul, nazývaný diskriminátor, sleduje, jestli analogový signál z detektoru nepřesáhne určitou hladinu (práh), a pak vygeneruje na výstupu digitální signál. Dva diskriminátory s různými hodnotami pak mohou nastavit tzv. diskriminační okno. Prahové hodnoty (napětí) lze nastavovat na čelním panelu.

8

2.3. Aplikace signálového analyzátoru a MCA Hlavní částí zde představovaného systému je komerční digitizér NI PCI-5124 (National Instruments), který používá až 200 MS s−1 real-time vzorkování. Digitizér je řízen přístrojovými ovladači, uvedenými dříve, a volanými ve vyvinuté aplikace, která provádí všechny DSP funkce. Tento digitizér byl také použit v γ-spektroskopii vysokorychlostních událostí (Yang et al., 2009) a v návrhu Mössbauerova spektrometru (Pechousek et al., 2010). Je zde použit radioaktivní zdroj 57 Co, pulzy jsou vzorkovány rychlostí 200 MS s−1 a zobrazovány. Signály jsou snímány z detektoru se zesilovačem. Na obrázku 10 jsou znázorněny tvary pulzů ze tří vybraných detektorů. Zobrazené tvary pulzů jsou výsledným průměrem ze záznamu tisíce pulzů se stejnou amplitudou.

... Obrázek 10: a) Pulzy pro energii 14,4 keV snímané detektory se scintilátorem YAP:Ce (červená) a plynovým GPC (modrá) a pulz pro energii 122 keV snímaný z detektoru se silným scintilátorem NaI:Tl (černá), a b) detaily náběžných hran těchto pulzů.

V detailu na obrázku 10 b) je patrné zvlnění signálu, které pochází převážně od principu funkce PMT. Nejčastěji používanou DSP metodou je pulzně výšková analýza (analýza výšky pulzu) prováděná uvnitř MCA, který zaznamenává počet pulzů stejné amplitudy do každého kanálu. V MCA odpovídá číslo kanálu velikosti amplitudy pulzu a průběžně se čítá histogram četností těchto velikostí. Jedno možné řešení DSP-MCA bylo vytvořeno a výkonnost tohoto systému byla testována v (Pechousek et al., 2011) s jadernými detektory velmi krátkých pulzů (od 40 ns do několika mikrosekund), a v rozsahu nízkých i vysokých energií rtg a γ záření. Čelní panel hlavní aplikace je ukázán na obrázku 11, kde jsou zpracovávány záporné pulzy. Kód aplikace je založen na funkcích popsaných na obrázcích 5 a 9. Modrý a červený kurzor v okně MCA (obrázek 11) lze použít pro vyčlenění a analýzu pulzů vybraného energetického rozsahu. Tyto kurzory lze také použít jako diskriminační úrovně pro další zpracování, např. v Mössbauerových spektrometrech. 2.3.1. Vylepšení MCA pomocí vysoké vzorkovací rychlosti V této části je prezentována práce prováděná na čtyřech různých detektorech a dvou zdrojů γ-záření. Pro každý detektor byla změřena MCA s určením hlavního fotopíku ve spektru. K dříve používanému zdroji 57 Co byl navíc pro účely rozšíření použit zdroj 137 Cs (γ-záření 662 keV). Spekta MCA byla měřena v konfiguraci s detektorem, signálovým zesilovačem, digitizérem a analyzována pomocí DSP kódu s funkcí WPkD. V prvním kroku byl signál z detektoru vzorkován nízkou vzorkovací rychlostí (10 MS s−1 ) pro odhad standardních hodnot systému. Tato vzorkovací rychlost je použitelná v klasických MCA a pomalých koincidenčních systémech, ale stále nízká pro precizní záznam MCA spekter. Pro rychlá měření dob života (jaderných hladin) je nutné používat maximální vzorkovací rychlosti a tedy analýzy s touto rychlostí mohou být prováděny pro odhad vlivu na tvar MCA spektra (energetické rozlišení). V druhém kroku tedy byla zvolena vzorkovací rychlost 200 MS s−1 . Energetická spektra rtg a γ záření emitovaná zdroji 57 Co a 137 Cs jsou uvedena na obrázku 12, kde černá spektra byla měřena s nízkou vzorkovací rychlostí a červená s vysokou vzorkovací rychlostí. Vždy, když byl zaměněn detektor nebo zdroj (zářič) za jiný, tak jejich vzájemná vzdálenost byla optimalizovaná tak, aby byla zachovaná odpovídající čítací rychlost s minimalizací výskytu pile-up událostí. Obrázek 12 také znázorňuje vylepšení energetického rozlišení pro všechny fotopíky kromě detektoru GPC, u kterého není vidět výrazné zlepšení. Navíc v oblasti vysokoenergetických impulzů je patrné další významné vylepšení z důvodu lepšího proložení pulzů (fitování). Z uvedeného je patrné, že vzorkovací

9

... Obrázek 11: Signálový a mnohakanálový analyzátor – čelní panel.

rychlost 10 MS s−1 je částečně podlimitní pro detektor s YAP:Ce krystalem. Lze říci, že pro rychlé detektory a vysoké energie (i extrémně nízké úrovně signálů) je vylepšení DSP s vysokou vzorkovací rychlostí markantnější díky lepšímu rozlišení náběžné hrany pozorovaného pulzu.

10

... Obrázek 12: MCA spektra zdroje 57 Co pro a) tenký NaI:Tl, b) YAP:Ce scintilátory, c) plynový čítač GPC, d) silný NaI:Tl scintilátor, a e) zdroje 137 Cs pro silný NaI:Tl scintilátor. Signál je zpracováván se vzorkovacími rychlostmi 10 a 200 MS s−1 .

3.

Techniky měření Time-of-flight a koincidence

V běžných jaderných koincidenčních systémech s časovým rozlišením (time-resolved) se používají při studiu radioaktivních rozpadů dva rozdílné detektory pro detekci fotonů různých energií emitovaných z radioaktivního zdroje. Podobné metody jsou použity také např. v časově rozlišujícím fluorescenčním systému (Moreno et al., 2011) odhadujícím vnitřní flourescenční rozpad. Systém prezentovaný v článku (Pechousek et al., 2011) je vhodný pro měření jaderných koincidencí jako je určování poločasu života excitovaných stavů jaderných hladin, kde je zapotřebí dvou DAQ kanálů. První kanál může sloužit k detekci „start“ počátečních jaderných událostí a druhý kanál detekuje „stop“ události. Oba kanály používají nejvyšší vzorkovací rychlost. Jsou-li analyzovány krátce žijící excitované stavy, hodnoty času příletu fotonu/částice (TOF, time-of-flight) musí být určeny s nejvyšší přesností. Vzorkovací rychlost 200 MS s−1 je použita pro přesný záznam MCA a časových měření, a systém je tedy citlivý na rozpadové časy od desítek nanosekund. Na obrázku 13 je znázorněn blokový diagram výše diskutovaného systému. V časové spektrometrii hodnoty TOF určují čas, kdy foton nebo částice přiletí do detektoru. Časová přesnost tohoto měřicího systému závisí na vlastnostech detektoru a typu elektroniky zpracovávající signál. Měření TOF nabízí možnost provádět koincidenční a antikoincidenční jaderné experimenty. Pro získání přesné TOF hodnoty existuje několik „analogových“ časových metod (leading edge timing, crossover timing, constant-fraction timing, first photoelectron timing) implementovaných v DSP (Abdel-Aal, 1993; Aspinall et al., 2009). V jedné z nich je startovací čas pulzu interpolován ze vzorků náběhu pulzu a digitální LED (leading-edge discriminator) určuje TOF hodnotu. TOF pak představuje čas, ve kterém úroveň signálu (pulzu) překročí daný práh (diskriminační hladinu). Metoda LED je jednoduše implemen-

11

... Obrázek 13: DSP systém pro časovou jadernou spektroskopii.

tovatelná metoda vhodná zejména pro tvarově podobné impulzy vyskytující se v signálovém záznamu. Vyvinutý DSP systém s technikou TOF-LED může být tedy použit pro různé typy detektorů. Popis řešeného LabVIEW LED je popsána v práci (Pechousek et al., 2011), kde byl proveden vývoj algoritmu TOF i jeho aplikace v koincidenčních měřeních. Princip výpočtu hodnoty TOF je znázorněn na obrázku 14. Kód musí rozeznat pozici maximální hodnoty v pulzu (z WPkD) a bod počátku pulzu.

... Obrázek 14: Praktický průběh výpočtu TOF hodnoty.

Jak bylo uvedeno výše, při použití kódu s původní WPkD funckí se rozeznají platné píky. Bohužel při použití vysoké vzorkovací rychlosti vyvstanou problémy, a je tedy nutné vylepšit algoritmus DSPTOF. Bylo pozorováno, že při vysokorychlostním vzorkování jsou nalezené pozice píků (výstup WPkD) občas mimo maximální hodnotu (vzorek) v pulzu. Tento chybový posun pak negativně ovlivňuje rozlišení/přesnost časových měření, a musí být potlačen pro využití v přesných jaderných koincidenčních měřeních modifikací algoritmu s WPkD určením TOF. Prezentovaná modifikovaná TOF metoda je použitelná pro různé detektory a je nezávislá na době nárůstu pulzu (pulse rising time) (Pechousek et al., 2011).

3.1. Koincidenční měření doby života Typické použití prezentovaného systému je v koincidenčních měřeních, kde lze dobu života excitovaného stavu měřit registrací rozpadových kaskád typu rtg-γ nebo γ-γ. V této sekci budou prezentována koincidenční měření doby života excitovaného stavu 57 Fe 14,4 keV, kde jsou vyžadovány registrace dvou událostí pomocí dvou různých detektorů optimalizovaných pro dané energie. Například zdroj 57 Co se rozpadá elektronovým záchytem na excitovaný stav 57 Fe (136 keV), který deexcituje přes stavy 122 keV a 14,4 keV na základní stav. Excitovaný stav 14,4 keV má střední dobu života 98,3 ns (Dickson � Berry,

12

1986). V souvislosti s obrázkem 13 první detektor (D1) detekuje 122 keV γ-fotony (tlustý NaI:Tl) jako start události a druhý detektor (D2) detekuje 14,4 keV γ-fotony (YAP:Ce nebo tenký NaI:Tl) jako stop události. Koincidenční intervaly, vypočítané pomocí TOF kódu, jsou pak akumulovány do histogramu, viz obrázek 15.

... Obrázek 15: Měření doby života excitovaného stavu 14,4 keV ve zdroji

57

Co.

Každý kanál DSP systému byl konfigurován individuálně pro detekci správných start a stop událostí. Hodnota poločasu rozpadu byla odhadnuta na 98,9 ±0.3 ns.

13

4.

Další DSP metody používané v jaderných systémech realizovaných pomocí VI

Zpracování signálu z detektoru je v jaderných systémech nejběžnější proces. K tomu se ale v různých spektroskopiích používají další techniky/metody. Například jednou metodou může být generování analogového signálu (průběhu) pro řízení určité části systému. Tím také může vzniknout potřeba správné synchronizace tohoto DAQ procesu s procesem digitalizace signálu z detektoru. Tyto techniky budou popsány v následujícm textu.

4.1. Funkční generátory Pro generování signálů se používají různá „výstupní“ analogová zařízení. Zde bude popsanáno zařízení funkčního generátoru s jeho přístrojovými ovladači. Příklady uvedené níže pak byly realizovány pomocí modulu funkčního generátoru NI 5401 (12bit, obnovovací rychlost 40 MS s−1 ). Tento funkční generátor obsahuje také tzv. Real-Time System Integration (RTSI) nebo PXI trigger sběrnici pro směrování (přepínání) trigr signálů v systémech PCI nebo PXI pro synchronizování různých DAQ procesů. Přístrojové ovladače NI-FGEN se používají pro tvorbu aplikací s NI 5401 a tzv. Soft Front Panel (SFP) aplikaci lze jednoduše použít pro interaktivní generování průběhů pomocí modulů signálových generátorů, stejným způsobem jako klasické stolní přístroje (stand-alone). Diagram na obrázku 16 znázorňuje základní programový tok pro aplikace využívající ovladač NIFGEN. Detaily jsou uvedeny v LabVIEW NI-FGEN Help (National Instruments, 2004, 2009b).

... Obrázek 16: Data flow pro NI-FGEN aplikace.

Tento přístrojový ovladač se používá podobně jako výše popsaný ovladač NI-SCOPE. Po procesech inicializace a konfigurace je odstartováno generování signálu. Na konci generování se volá funkce abort pro shození signálu a volání přístroje se uzavře.

4.2. Synchronizační a trigrovací techniky implementované pomocí sběrnice RTSI Vyžaduje-li aplikace dvě a více DAQ zařízení, je často možné činnost těchto zařízení synchronizovat pomocí tzv. trigr signálů (trigrů). Sběrnice RTSI (Real-Time System Integration) je určená pro sdílení a výměnu časových a řídicích signálů mezi více měřicími kartami. Kabely pro sběrnici RTSI jsou krátké, 34vodičové ploché, s dvěma až pěti konektory propojující sadu karet. Na obrázku 17 je znázorněn příklad zapojení pěti karet pomocí prodlouženého RTSI kabelu. Systém PXI používá sběrnici PXI trigger, která obsahuje i sběrnici RTSI, a je zavedena do každého slotu v rámu. Další zařízení můžou používat např. digitální trigry PFI (Programmable Function Interface) na I/O konektoru. 14

... Obrázek 17: RTSI sběrnice použitá pro synchronizaci PCI karet (National Instruments, 2010).

Techniky synchronizace a trigrování se velmi často používají v sofistikovaných měřeních, kde jeden či více DAQ procesů souvisí s dalšími. Takový způsob kombinace je běžný v aplikacích, kde jedno zařízení pracuje jako tzv. master (generuje sigály) a druhé zařízení pracuje jako tzv. slave (čeká na trigry). V konceptu VI je velmi jednoduché postavit takovýto systém a zaměňovat pracovní „nasazení“ jednotlivých zařízení v průběhu měření. Trigr signál je signál, který spouští jednu nebo více dalších funkcí systému. Základní typy trigrů jsou digitální, softwarový nebo analogový, a lze je navázat (odvodit) na atributy zpracovávaných signálů, jako třeba úroveň a sklon signálu. Trigry dále můžou být vnitřní (softwarově generované) nebo vnější, externí. Externí trigry umožňují synchronizovat práci hardwaru s externím obvodem nabo zařízením. Existuje několik typů trigrování a každý z nich používá různé funkce NI-SCOPE nebo NI-FGEN typu Configure Trigger (National Instruments, 2009b, 2010). Tak například v počítačem řízeném modulárním Mössbauerově spektrometru (Pechousek et al., 2010) jsou dvě hlavní části, první je počítač s NI 5102 digitizérem, a druhou je NI 5401 funkční generátor, vše řízené pomocí VI. Synchronizace modulů je uskutečněna pomocí signálů na sběrnici RTSI nebo PXI Trigger. Funkční generátor generuje signál rychlosti na svém výstupu ARB OUT. Na výstupu SYNC OUT je pak k dispozici trigr signál pro synchronizaci dalších zařízení (směrování tohoto signálu je ukázáno na obrázku 16). Toho je využito u vnitřní sběrnice RTSI a trigruje (spouští) se jím DAQ proces v digitizéru. V případě použití modulů pro USB lze trigr signál generovat externě např. digitálním výstupem u multifunkčních karet.

4.3. Trigrování s NI-FGEN Při trigrování signálového generátoru je možné vybrat ze tří druhů zdrojů trigru, módu trigru. Např. výše uvedený funkční generátor pracující jako master a generující periodický analogový signál, generuje digitální trigr signál o stejné frekvenci na výstupu SYNC OUT. Tento signál je směrován na linku sběrnice RTSI pomocí funkce niFgen Export Signal VI (viz obrázek 18) pro řízení dalších zařízení (karet/modulů). Tato funkce směruje signály (hodiny, trigry a události) na specifikovaný výstupní terminál, zde tedy RTSI konektor.

... Obrázek 18: Funkce niFgen Export Signal VI používaná ke směrování trigr signálů z funkčních generátorů.

Signál SYNC OUT je obvykle exportován (přístupný) na konektoru SYNC OUT na čelním panelu, k přímému propojení.

4.4. Trigrování s NI-SCOPE Pomocí trigr funkcí z ovladače NI-SCOPE lze převádět (přepínat) zařízení z nevzorkovacího do vzorkovacího stavu, a zařízení pak začíná zpracovávat data. Funkce, která se používá pro konfiguraci digitizéru pro různé typy trigrů je niScope Configure Trigger (poly), viz obrázek 19. 15

... Obrázek 19: Funkce niScope Configure Trigger (poly) používaná při trigrování digitizérů.

Po inicializaci zpracování čeká digitizér na start trigr, který se konfiguruje přes vlastnost (vstup) Start Trigger Source, defaultně je nastaveno okamžitě - immediate. Po obdržení start trigru digitizér začíná vlastní vzorkování tzv. pretrigr bodů, bodů před trigrem. Po tom, co digitizér dokončí vzorkování pretrigr bodů, digitizér čeká na referenční (stop) trigr, který se specifikuje ve funkci Configure Trigger VI. Po obdržení referenčního trigru digitizér dokončí zpracování po kompletním tzv. posttrigger vzorkování, bodů za trigrem (National Instruments, 2010). Konfigurace digitálních a analogových trigrů pomocí NISCOPE je znázorněna na obrázku 20.

... Obrázek 20: Typy NI-SCOPE trigrů a) digitální a b) analogový.

V případě digitizérů např. analogový trigr nastavený na jednom DAQ kanálu může trigrovat druhý kanál, spouštět zpracování dat na něm (obrázek 20b). Analogový trigr v aplikacích digitizéru je často používán v časových spektroskopiích, kde se používají dva a více DAQ kanály. Tato technika byla popsána v předcházející sekci - kanál pro start události trigruje kanál pro stop události.

16

5.

Mössbauerova spektroskopie

V této sekci budou představeny metody zpracování pulzů, řízení pohybu a DSP synchronizace na příkladě konstrukce Mössbauerova spektrometru. Všechny úlohy využívají DSP schopnosti systému LabVIEW běžícího na hlavním počítači a původní jednoúčelové části spektrometru byly nahrazeny DAQ moduly. Hardwarové řešení je založeno na použití DAQ zařízení pracujících na platformách USB, PCI nebo PXI, řízených hlavní aplikací běžící na osobním počítači nebo PXI kontroléru. Konečná aplikace umožňuje provádět akumulaci Mössbauerových spekter, také detailní analýzu zpracovávaného signálu z detektoru v energetické a časové doméně a také separátní ladění systému řízení rychlosti (viz princip Mössbauerovy spektroskopie níže). Tento koncept lze použít s běžnými spektroskopickými lavicemi s různými pohybovými zařízeními, radioaktivními zdroji a detektory γ-záření. Mössbauerova spektroskopie představuje základní nástroj pro výzkum materiálů obsahujících specifické prvky (Fe, Sn, Au ...) formou lokální sondy jejich bezprostředního okolí. Umožňuje určit a kvantifikovat různé atomové okolí, magnetické stavy a vnitřní magnetické uspořádání magnetických momentů, vyjadřující tedy strukturní a magnetickou informaci. Navíc je Mössbauerova spektroskopie vysoce prvkově selektivní a umožňuje identifikovat požadované složky, i když se v materiálu vyskytují ve velmi malém množství. Mössbauerův jev je založen na bezodrazové jederné emisi a rezonanční absorbci γ-záření ve vzorku a zpracování Mössbauerových spekter je založeno na měření intenzity γ-záření společně s přesným kontrolovaným pohybem radioaktivního zdroje. Mössbauerovo spektrum je závislost mezi rychlostí pohybu radioaktivního zdroje a detekovanou intenzitou γ-záření. Tato experimentální technika je často využívaná v mnoha výzkumných oblastech, jako jsou fyzika, chemie, biologie, metalurgie atd.

5.1. Konfigurace spektrometru Struktura standardního Mössbauerova spektrometru je zobrazena na obrázku 21. Dnes už lze většinu těchto prvků nahradit DSP zařízením či algoritmem. Programové prostředí LabVIEW umožňuje realizaci takovýchto systémů s minimálním požadavkem na jednoúčelovou elektroniku. Typická spektrometrická lavice pro Mössbauerův spektrometr je znázorněna na obrázku 22 (pro měření při pokojové teplotě).

... Obrázek 21: Blokový diagram standardního Mössbauerova spektrometru.

... Obrázek 22: Spektrometrická lavice pro Mössbauerův spektrometr.

17

Pro vývoj Mössbauerových spektrometrů se používají různé programovací techniky a přístrojová řešení. Nicméně tradiční řešení jsou založena primárně na samostatných přístrojí nebo specifických (v jaderné fyzice) modulárních systémech. Spektrometr musí provádět úkoly jako jsou pulzně-výšková analýza γ-záření, generování referenčního signálu rychlosti pro pohyb zdroje, PID (proporcionáně integračně derivační) regulaci relativní rychlosti pohybu mezi zdrojem a absorbérem a akumulaci Mössbauerova spektra. Využitím LabVIEW a zařízení NI PXI, PCI, USB a CompactRIO je vytvořený Mössbauerův spektrometr koncepčně otevřený a dostatečně flexibilní pro práci v různém hardwarovém uspořádání (Pechousek et al., 2010).

5.2. Amplitudový analyzátor a akumulace spekter Detekce γ-záření a amplitudový analyzátor jsou založeny na NI vysokorychlostním digitálním osciloskopu. Impulzy z detektoru reprezentují registrované jaderné události, jejichž amplituda odpovídá energii detekovaného γ fotonu. Vzorkovací rychlost výstupního signálu z detektoru závisí na typu detektoru (scintilační, plynový, polovodičový). Funkce správné detekce byly testovány použitím digitizérů NI PXI, PCI a USB, jmenovitě NI 5102 (8bit, 20 MS s−1 ), NI PCI-5124 (12bit, 200 MS s−1 ) a NI USB-5133 (8bit, 100 MS s−1 ). Proces akumulace dat v sobě kombinuje informaci o rychlosti pohybu radioaktivního zdroje s registrovanou intenzitou γ-záření. Vzorkem jsou ovlivněny pouze některé fotony jím procházející, a tedy jen jim odpovídající pulzy z detektoru jsou zaznamenány. Amplitudový diskriminátor je založen na zmiňované LabVIEW WPkD funkci. Další softwarové části provádějí mnohakanálovou analýzu signálu z detektoru. Na obrázku 23 je znázorněn základní koncept blokového diagramu spektrometru v LabVIEW kódu. Tento kód synchronizuje DAQ procesy pro generování signálu rychlosti a zpracování signálu z detektoru.

... Obrázek 23: Základní koncept blokového diagramu spektrometru.

Další podprogramy (SubVI) pro práci s daty, konfiguraci měření, atd. jsou zahrnuty v aplikaci. Čelní panel hlavní aplikace je znázorněn na obrázku 24.

... Obrázek 24: Čelní panel hlavní aplikace.

18

5.3. Systém řízení rychlosti Běžný systém řízení rychlosti pro Mössbauerův spektrometr se skládá z generátoru signálu rychlosti, PID regulátoru a elektromechanického lineárního převodníku (motoru), ke kterému je připevněn radioaktivní zdroj. Referenční signál rychlosti je veden přes PID regulátor do řídicí cívky motoru a signál z měřicí cívky se vede zpět do PID regulátoru. Typický signál referenční rychlosti a), řídicí signál b), a signál chyby c) jsou znázorněny na obrázku 25. Signál rychlosti má frekvenci obvykle desítky Hz, a tedy i další přidružené signály.

... Obrázek 25: Signál rychlosti a), řídicí signál b), a signál chyby c) používané v rychlostní jednotce.

Přístrojová zařízení analogových výstupů od NI, použité jako generátory signálu rychlosti, jsou propojené s digitálním PID regulátorem. Dále, s využitím flexibility VI konceptu, může být generátor nahrazen např. multifunkční kartou s vhodným analogovým výstupem na platformách USB, PCI i PXI. Limitujícími parametry jsou rozlišení 12bit a obnovovací (vzorkovací) rychlost 150 kS s−1 analogového výstupu jako minima. Vybraná (a otestovaná) zařízení jsou například NI USB-6221 (16bit, 833 kS s−1 ) a NI USB-6215 (16bit, 250 kS s−1 ) multifunkční DAQ karty. Jednou z výhod použití PXI a PCI modulů je, že obsahují RTSI sběrnici, která umožňuje přenos rychlých trigr signálů, které slouží k synchronizaci akumulace spekter s pohybem zdroje. Na obrázku 26 je zobrazen základní princip synchronizace DAQ procesů pomocí popsané techniky. Signál rychlosti je generován s danou frekvencí a trigr signál synchronizuje zpracování signálu z detektoru.

... Obrázek 26: Synchronizace DAQ procesů.

Každá perioda pohybu zdroje je rozdělena na 2048 rychlostních/časových intervalů. Příslušný počet 19

detekovaných fotonů nashromážděných během tohoto každého časového intervalu je uložen do příslušného rychlostního intervalu spektra. Proces akumulace spektra se provádí periodickým sčítáním těchto dat za každou periodu po dobu několika hodin až dnů. Proces akumulace dat pro periodický pohyb (lineární signál rychlosti) je znázorněn na obrázku 27.

... Obrázek 27: Akumulace Mössbauerova spektra.

Jako další možný generátor signálu rychlosti byl úspěšně testován systém NI CompactRIO, který byl také vybrán pro realizaci digitálního PID regulátoru, pracující v jednom zařízení (Pechousek et al., 2009). Kontrolér pracující v reálném čase (real-time) a šasi obsahující programovatelné pole FPGA provádí PID algoritmus, který je založen na diskrétní funkci PID funkci v modulu (SW balíčku) LabVIEW FPGA Module. Další modul analogového vstupu zpracovává signál z měřicí cívky lineárního motoru a referenční signál rychlosti, používá-li se exerní zdroj tohoto signálu. Modul analogového výstupu pak generuje řídicí signál a modul digitálního výstupu generuje trigr signál pro synchronizaci akumulace spektra.

5.4. Použití VI spektrometrů V současné době se v Regionálním centru pokročilých materiálů a technologií www.rcptm.com (součást Univerzity Palackého v Olomouci) používají tři Mössbauerovy spektrometry, postavené na koncepci VI. Jeden využívá USB moduly (multifunkční karta a vysokorychlostní digitizér), druhý PCI karty (funkční generátor a vysokorychlostní digitizér) a PXI moduly (funkční generátor a vysokorychlostní digitizér v pětislotovém rámu/šasi NI PXI-1033 s integrovaným kontrolerem MXI-Express). Nový digitální PID regulátor postavený na systému CompactRIO se používá v nejdůležitější (nejnáročnější) aplikaci spektrometru při měření za nízkých teplot a ve vnějším magnetickém poli. Zde systém musí zachovávat vysokou stabilitu a spolehlivost v nestandardních pracovních podmínkách, jako jsou vibrace laboratorních přístrojů (kryostaty, vakuové vývěvy, apod.) a magnetické pole (od magnetického systému se supravodivým magnetem). CompactRIO systém navíc pracuje jako vzdálený systém, který umožňuje změnu PID parametrů při ladění spektrometru přes vzdálenou správu v bezpečné vzdálenosti od radioaktivního zdroje a magnetického pole.

20

6.

Použitá literatura

[1] Abdel-Aal, R.E. (1993). Simulation and analysis of nuclear physics instrumentation using the LabVIEW graphical programming environment. e Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 18, No. 3, (July 1993), pp. 365-382, ISSN 1319-8025 [2] Ahmed, S.N. (2007). Physics and Engineering of Radiation Detection (first edition), Academic Pres, ISBN 0-12-045581-1, London, Great Britain [3] Aspinall, M.D., Joyce, M.J., Mackin, R.O., Jarrah, Z., Boston, A.J., Nolan, P.J., Peyton, A.J. � Hawkes, N.P. (2009). Sample-interpolation timing: an optimized technique for the digital measurement of time of flight for γ rays and neutrons at relatively low sampling rates. Measurement Science and Technology, Vol. 20, (November 2008), 015104, 10pp, ISSN 0957-0233 [4] Belli, F., Esposito, B., Marocco, D., Riva, M., Kaschuk, Y., Bonheure, G. � JET EFDA contributors (2008). A method for digital processing of pile-up events in organic scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 595, (July 2008), pp. 512-519, ISSN 0168-9002 [5] Bettiol, A.A., Udalagama, C. � Watt, F. (2009). A new data acquisition system for nuclear microscopy based on a field programmable gate array card. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 267, (June 2009), pp. 2069-2072, ISSN 0168-583X [6] Cosulich, E. � Gatti, F. (1992). A digital processor for nuclear spectroscopy with cryogenic detectors. Nuclear Instruments and Methods A, Vol. 321, (September 1992), pp. 211-215, ISSN 0168-9002 [7] Dickson, D.P.E. � Berry, F.J. (1986) Mössbauer spectroscopy. Cambridge: Cambridge University press, ISBN 978-0521018104 [8] Drndarević, V. (2008). A very low-cost alpha-particle spectrometer. Measurement Science and Technology, Vol. 19, (April 2008), 057007, 5pp, ISSN 0957-0233 [9] Drndarevic, V. � Jevtic, N. (2008). A versatile, PC-based gamma ray monitor. Radiation Protection Dosimetry, Vol. 129, No. 4, (October 2007), pp. 478-480, ISSN 1742-3406 [10] Ellis, W.H. � He, Q. (1993). Computer-based nuclear radiation detection and instrumentation teaching laboratory system. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 40, No. 4, (August 1993), pp. 675-679, ISSN 0018-9499 [11] Esposito, B., Riva, M., Marocco D. � Kaschuck Y. (2007). A digital acquisition and elaboration system for nuclear fast pulse detection. Nuclear Instruments an Methods in Physics Research A, Vol. 572, (March 2007), pp. 355-357, ISSN 0168-9002 [12] Gilmore, G. (2008). Practical gamma-ray spectroscopy (second eddition), Wiley, ISBN 9780470861967, [13] Gontean, A. & Szabó, R. (2011). LabVIEW Remote Lab, In: LabVIEW - Modeling, programming and simulations, Riccardo de Asmundis, ISBN 978-953-307-521-1, InTech, Rijeka, Croatia [14] Green, D.P., Bruce J.B. � omas, J.L. (1996). Sensor measurement and experimental control in nuclear magnetic resonance imaging. Review of Scientific Instruments, Vol. 67, No. 1, (January 1996), pp. 102107, ISSN 0034-6748 [15] Kholmetskii, A.L., Mashlan, M., Misevich, O.V., Chudakov, V.A., Lopatik, A.R. � Zak, D. (1997). Comparison of the productivity of fast detectors for Mössbauer spectroscopy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 124, (April 1997), pp. 143-144, ISSN 0168-583X [16] Kirichenko, A.F., Sarwana, S., Mukhanov O.A., Vernik I.V., Zhang, Y., Kang, J. � Vogt, J.M. (2001). RSFQ Time Digitizing System. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, No. 1, (March 2001), pp. 978-981, ISSN 1051-8223 [17] Krasilnikov, V., Marocco, D., Esposito, B., Riva, M. � Kaschuck, Y. (2011). Fast pulse detection algorithms for digitized waveforms from scintillators. Computer Physics Communications, Vol. 182, (October 2010), pp. 735-738, ISSN 0010-4655

21

[18] Moreno, E., Reyes, P. � de la Rosa, J.M. (2011). Time-resolved fluorescence spectroscopy with LabView, In: LabVIEW - Modeling, programming and simulations, Riccardo de Asmundis, ISBN 978953-307-521-1, InTech, Rijeka, Croatia [19] National Instruments. (2004). NI-FGEN instrument driver quick reference, 02.04.2011, http:// www.ni.com/pdf/manuals/371307e.pdf [20] National Instruments. (2009). NI high-speed digitizers help, 02.04.2011, http:// digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/349CC538026ACD5A862576E8004DB89D?OpenDocument&seen=1 [21] National Instruments. (2009). NI signal generators help, 02.04.2011, tal.ni.com/manuals.nsf/websearch/6F0CB519A713D1E28625762000689402 [22] National Instruments. (2010). Getting zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3382

started

with

NI-SCOPE,

http://

02.04.2011,

digihttp://

[23] Nelson, M.A., Rooney, B.D., Dinwiddie, D.R. � Brunson, G.S. (2003). Analysis of digital timing methods with BaF2 scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 579, (June 2003), pp. 247-251, ISSN 0168-9002 [24] Pechousek, J. � Mashlan, M. (2005). Mössbauer spectrometer in the PXI/CompactPCI modular system. Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 55, No. 7, (July 2005), pp. 853-863, ISSN 0011-4626 [25] Pechousek, J., Mashlan, M., Frydrych, J., Jancik, D. � Prochazka, R. (2007). Improving detector signal processing with Pulse Height Analysis in Mössbauer spectrometers. Hyperfine Interactions, Vol. 107, (February 2007), pp. 1-8, ISSN 0304-3843 [26] Pechousek, J., Prochazka, R., Mashlan, M., Jancik, D. � Frydrych, J. (2009). Digital proportionalintegral-derivative controller of a Mössbauer Spectrometer. Measurement Science and Technology, Vol. 20, (November 2008), 017001, 4pp, ISSN 0957-0233 [27] Pechousek, J., Jancik, D., Evdokimov, V. � Prochazka, R. (2009). Velocity driving system for an infield Mössbauer spectrometer. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 267, (February 2009), pp. 846-848, ISSN 0168-583X [28] Pechousek, J., Prochazka, R., Jancik, D., Mashlan, M. � Frydrych, J. (2010). Universal LabVIEWpowered Mössbauer spectrometer based on the USB, PCI or PXI devices. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 217, (May 2010), pp. 012006, ISSN 1742-6588 [29] Pechousek, J., Prochazka, R., Prochazka, V. � Frydrych, J. (2011). Virtual instrumentation technique used in the nuclear digital signal processing system design: Energy and time measurement test. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 637, (February 2011), pp. 200-205, ISSN 0168-9002 [30] Prochazka, R., Tucek, P., Tucek, J., Marek, J., Mashlan, M. � Pechousek, J. (2010). Statistical analysis and digital processing of the Mössbauer spectra. Measurement Science and Technology, Vol. 21, (January 2010), 025107, 7pp, ISSN 0957-0233 [31] Tlaczala, W., Grajner, G. � Zaremba, M. (2008). Virtual laboratory with simulated nuclear experiments. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 57, No. 8, (August 2008), pp. 1766-1770, ISSN 0018-9456 [32] Tlaczala, W. (2005). Virtual instrumentation in physics, In: Handbook of measuring system design, P. Sydeman � R. orn, (Eds.), 695-701, Wiley, ISBN 0-470-02143-8, Hoboken, NJ, USA [33] Yan, J., Liu, R., Li, Ch., Jiang, L., Lu, X., Zhu, T., Wang, M., Wen, Z. & Lin, J. (2009). LabVIEW-based auto timing counts virtual instrument system with ORTEC 974 Counter/Timer. Nuclear Science and Techniques, Vol. 20, (October 2009), pp. 307-311, ISSN 1001-8042 [34] Yang, H., Wehe, D.K. � Bartels, D.M. (2009). Spectroscopy of high rate events during active interrogation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 598, (October 2008), pp. 779-787, ISSN 0168-9002

22

... Autoři textu RNDr. Jiří Pechoušek, Ph.D. [email protected] tel.: 58 563 4949 Mgr. Milan Vůjtek, Ph.D. [email protected] tel.: 58 563 1429 ... Pracoviště Regionální centrum pokročilých materiálů a technologií Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc http://www.rcptm.com Katedra experimentální fyziky Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci 17. listopadu 1192/12, 771 46 Olomouc http://www.upol.cz/fakulty/prf/struktura/katedry-a-pracoviste/katedra-experimentalni-fyziky

23