Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

подключенных к схеме совпадений – телескоп. В зависимости от того, как проходит через счетчик частица: через один счетчик или через оба, на входы схемы совпадений поступают либо один, либо два импульса. Задача схемы совпадений заключается в том, чтобы выделять случаи одновременного поступления импульсов на входы и сигнализировать о таком событии. В рассматриваемой установке на входе схемы совпадений сигналы будут возникать всякий раз, когда частица пронизывает оба счетчика, т.е. проходит в выделенном телескопом конусе углов. Так как электронные схемы могут устанавливать одновременность события всегда лишь с некоторой конечной точностью, то возможны также случайные совпадения во времени между импульсами от различных частиц, проходящих под разными углами. Как правило, вероятность такого явления мала, но в некоторых случаях ее приходится учитывать.

Обычно схемой совпадения называется импульсная схема, электрический сигнал на выходе которой возникает только при одновременном поступлении сигналов на ее входы. Посредством схемы совпадений определяют одновременность появления двух или более электрических импульсов, генерируемых детекторами ядерных излучений при регистрации отдельных актов ядерных взаимодействий.

Схему совпадений можно рассматривать как состоящую из двух электрически связанных каскадов. Первый каскад называется каскадом выделения совпадений. На его выходе образуются электрические сигналы разной амплитуды от совпавших и несовпавших во времени сигналов, поступивших на его входы. Второй каскад называется каскадом отбора совпадений и в большинстве случаев представляет собой ждущий мультивибратор, выдающий электрический импульс при попадании на его вход сигнала от первого каскада, который соответствует случаю совпадения. Импульс меньшей амплитуды, получающийся после первого каскада при несовпавших сигналах, не в состоянии открыть ждущий мультивибратор, на входе которого в данном случае электрический сигнал отсутствует. Схемы совпадений характеризуются следующими основными параметрами: разрешающим временем τр (максимальный временной сдвиг между входными сигналами, при котором они регистрируются как одновременные), чувствительностью (минимальный уровень входных сигналов, поступающих одновременно на все входы

81

схемы совпадений, мертвым временем минимальное время между двумя последовательными срабатываниями схемы совпадений). Кроме собственно узла совпадения, в состав схемы совпадений входят пороговые формирующие элементы и выходной дискриминатор (для схемы совпадений τр< 10 нс характерно совмещение функциональных элементов в одном конструктивном узле). Важно, что работа схемы совпадений зависит от формы подаваемых сигналов.

Эффективность схемы совпадений – величина, показывающая вероятность регистрации истинного совпадения, т.е. совпадения, обусловленного наличием только полезных сигналов, связанных с изучаемым физическим явлением. Однако возможны случайные совпадения, вызванные наличием “ложных” импульсов, получающихся в результате попадания в детектор частиц или квантов, не связанных с изучаемым явлением, а также вызванных физическими процессами в самих детекторах или электронной схеме. Чем больше разрешающее время системы, тем больше вероятность случайного совпадения. Находят применение мажоритарные схемы совпадений, срабатывающие при некотором заданном числе совпадающих входных сигналов. Входов в схеме совпадений может быть два (двойнаясхемасовпадений) ибольше.

Наиболее часто используются нелинейные схемы совпадений на основе логических элементов “И” (рис. 1.29). Современные семейства логических ИС могут обеспечить реализацию схем совпадения с разрешающим временем порядка единиц наносекунд. В схемах совпадения на основе приоритетных дискриминаторов возможно получить разрешающее время от десятков пикосекунд.

Рис. 1.29. Входные и выходные импульсы схемы "И"

82

Более подробно характеристики современных логических ИС приведены в главе 3.

Формирователи временной отметки

Временная привязка (формирование временной отметки) необходима для точной фиксации момента регистрации события в детекторе. Различается два типа формирователей временной отметки. Одни используют "медленные" спектрометрические сигналы – это временные одноканальные анализаторы. Другие, быстрые дискриминаторы, используют сигналы либо непосредственно от детекторов, либо от быстрых усилителей. И в тех, и в других устройствах используются следующие методы временной привязки:

•привязка по переднему фронту импульса,

•привязка по нулю биполярного импульса,

•метод следящего порога и его разновидности.

В качестве быстрых дискриминаторов часто применяют интегральные дискриминаторы, которые срабатывают, если амплитуда входных сигналов превышает установленный в них уровень. Однако возможна реализация и быстрых дифференциальных дискриминаторов, где можно устанавливать диапазон входных амплитуд, в котором дискриминатор будет срабатывать. По сравнению с одноканальными анализаторами, которые получают входные сигналы от спектрометрических усилителей, амплитудная дискриминация у быстрых дискриминаторов более грубая.

На точность временной привязки влияют следующие факторы: дрейф параметров аппаратуры, шумы, амплитуда и форма импульсов, статистический разброс в ФЭУ. Что касается дрейфа параметров, который в основном определяется температурным дрейфом, то он может оказаться критическим фактором при длительных измерениях или при работе с аппаратурой, не вышедшей на стационарный температурный режим. Учитывая, что современная аппаратура прогревается достаточно быстро (обычно достаточно 0,5 – 1 часа), медленный температурный дрейф, как правило, не доставляет беспокойств.

Другие факторы, влияющие на точность временной привязки, рассмотрим на примере быстрых дискриминаторов, использующих различные методы формирования временной отметки.

83

Привязка по переднему фронту импульса (Leading-Edge Timing). Привязка по переднему фронту импульса осуществляется с помощью порогового устройства, которое срабатывает при достижении входным сигналом определенного уровня (уровня дискриминации). В результате генерируется логический импульс, фиксирующий момент появления сигнала и соответственно момент регистрации события детектором (рис. 1.30). Очевидно, что импульсы большей амплитуды будут пересекать уровень дискриминации раньше, чем импульсы меньшей амплитуды, и при большом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов разброс времени срабатывания Т определяется длительностью переднего фронта входного импульса. Кроме того, дополнительную временную неопределенность вносит зарядовая чувствительность порогового устройства. Для срабатывания порогового устройства необходимо накопление определенного заряда, который опять же будет быстрее накапливаться при поступлении сигналов большей амплитуды, что приводит к дополнительному сдвигу по времени. Временная неопределенность при использовании привязки по переднему фронту в первую очередь зависит от динамического диапазона входных импульсов,

ипоэтому уровень дискриминации стараются установить как можно ниже, но выше уровня шумов. Если динамический диапазон невелик, т.е. на вход устройства поступают сигналы приблизительно одинаковой амплитуды, на точности временной привязки начинают сказываться другие факторы — шумы, а для ФЭУ — и статистические флуктуации количества фотоэлектронов

инекоторые другие.

Рис. 1.30. Входные и выходные импульсы в методе привязки по переднему фронту

84

На рис. 1.31 проиллюстрировано влияние шумов на точность временной привязки. Если амплитуда шумов, наложенных на сигнал, равна An, а крутизна фронта сигнала в точке пересечения с уровнем дискриминации (dВ/dt)|t=T, то временная неопределенность, связанная с шумами будет

Рис. 1.31. Влияние шумов на точность временной привязки

Таким образом, если диапазон амплитуд мал, минимальная временная неопределенность будет достигаться при уровне дискриминации, соответствующем области максимальной крутизны фронта импульса детектора. Для сцинтилляционных детекторов оптимум находится в диапазоне 10 – 40 % амплитуды анодного импульса. Уменьшать шумы фильтрами низких частот не имеет смысла, так как при этом крутизна фронта обычно уменьшается быстрее, чем амплитуда шумов. Соответственно, временная неопределенность будет только расти. Таким образом, лучше всего сохранить короткие фронты импульсов. При большом динамическом диапазоне амплитуд входных сигналов вместо привязки по переднему фронту лучше использовать другие методы. Когда привязка по переднему фронту применяется совместно с германиевыми детекторами, временная неопределенность сравнима со временем сбора зарядов в детекторе, которое довольно велико и сильно варьируется.

Привязка по нулю биполярного импульса (CrossoВer Timing). В этом методе временная метка получается фиксацией момента пересечения нулевого уровня биполярным сигналом. Момент пересечения нуля сигнала почти не зависит от его

85

амплитуды (рис. 1.32). Таким образом, устройства, использующие этот способ временной привязки, могут работать в существенно более широком динамическом диапазоне, чем при использовании привязки по переднему фронту. Основным фактором, определяющим временную неопределенность, здесь являются шумы. Шумы вносят заметный вклад во временную неопределенность при работе с германиевыми и кремниевыми детекторами и фотодиодами. Кроме того, в этом методе сохраняется зависимость момента пересечения нуля от формы сигнала детектора. Однако этот недостаток может стать преимуществом. Это свойство используется, например, в системах n-γ дискриминации и режекции наложений.

Рис. 1.32. Биполярные импульсы разной амплитуды

Метод следящего порога (Constant-Fraction Timing). Как следует из соотношения (1.1), для данной формы импульса, поступающего на схему временной привязки, существует оптимальный для точности временной привязки уровень дискриминации, когда крутизна фронта импульса максимальна, что происходит, когда сигнал достигает определенной части амплитуды. Этот уровень различен для импульсов разной амплитуды. Таким образом, если для каждого импульса устанавливать свой порог, можно добиться оптимальных результатов. Эти соображения привели к разработке метода, который в русской литературе получил название дискриминации со следящим порогом. На самом деле изменяется не порог, а привязка осуществляется к нулю определенным образом сформированного биполярного импульса. Входной сигнал с амплитудой В

86

распараллеливается по двум плечам. В одном он задерживается на время td, в другом инвертируется и ослабляется (-fВ). Затем эти сигналы складываются. В результате формируется биполярный сигнал, момент пересечения нуля которым служит для получения временной отметки (рис. 1.33). Коэффициент ослабления f определяет долю амплитуды (фракцию), оптимальную для таймирования сигналов данного детектора. Время задержки выбирается так, что

где tr – время нарастания фронта входного сигнала. Время пересечения нуля определяется соотношением

Входной сигнал также поступает на дискриминатор переднего фронта, который препятствует генерации импульса временной отметки в случае срабатывания чувствительной схемы детектора нуля от шумовых сигналов. Использование обычного CF- дискриминатора позволяет избавиться от амплитудной зависимости временной привязки (импульсы A и B), но зависимость от разброса времени сбора зарядов в детекторе остается. Время пересечения нуля для импульсов B (t1) и C (t2) различно.

87

электродов. В этом случае и электроды, и дырки должны преодолеть в два раза меньший путь. Соответственно, время сбора будет приблизительно в два раза меньше, чем в случае C. Максимальное время сбора для различных германиевых детекторов варьируется от 50 нс в тонких планарных детекторах до 600 нс в толстых коаксиальных детекторах. Два фактора определяют временное разрешение при работе с германиевыми детекторами гамма-квантов: соотношение уровня шумов и крутизны фронта и разброс времени сбора зарядов в детекторе. Влияние первого фактора в рассмотренном выше CF-дискриминаторе сведено к минимуму. Влияние второго остается. Для минимизации эффекта разброса времени сбора в германиевых детекторах была предложена модификация CF-дискриминации – ARC timing (Amplitude and Risetime Compensated timing). В этом методе влияние разброса времени сбора на точность хронирования уменьшается за счет некоторого увеличения влияния на него шумов. Следящий порог выставляется так же, как и в стандартном CF-методе (20 – 30 % от амплитуды), при этом задержка td заметно уменьшается и устанавливается равной приблизительно 30 % от минимального времени нарастания:

где trmin – минимальное время нарастания входного импульса. Как видно из рис. 1.33, сформированные таким образом биполярные сигналы для всех трех импульсов A, B и С пересекают нулевую линию одновременно, несмотря на различные амплитуды и времена нарастания. Положение нулевой точки определяется соотношением

89