книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

620 ПРИЛОЖЕНИЯ

§ 1. Усилители

Основные сведения об устройстве электронных ламп и свойствах усилительных каскадов изложены в описании к задаче 37 и здесь повторяться не будут. Отметим некоторые особенности, связанные с применением электронных ламп в физической аппаратуре.

Чаще всего усилительные каскады применяются в физике для усиления электрических импульсов, регистрирующих какое-нибудь событие (например, срабатывание гейгеровского счетчика) или от­ мечающих начало или конец некоторого промежутка времени. При этом главной задачей является неискаженная передача формы им­

в отсутствие сигнала имеет потенциал земли. Протекающий через лампу ток вызывает падение напряжения на включенном в катод со­ противлении R K. Потенциал катода оказывается, таким образом, по­ ложительным, и сетка приобретает относительно катода небольшое отрицательное смещение. Анод соединен с источником высокого напряжения + £ б через сопротивление нагрузки Да. Изображенная пунктиром емкость Са учитывает паразитные емкости анодной цепи лампы (и входные емкости следующего каскада).

Сигнал подается на каскад через емкость С и снимается через кон­ денсатор Ср.

Катодное сопротивление R Kшунтируется большой емкостью Ск, представляющей для кратковременных сигналов ничтожно малое сопротивление; сопротивление R K в этом случае не сказывается на усилении каскада.

где |л — коэффициент усиления лампы, Rt — ее внутреннее сопро­ тивление, а R a — анодное сопротивление каскада. Формула (7.1) была выведена без учета паразитной емкости Са. Из этой формулы на первый взгляд следует, что для увеличения коэффициента уси­ ления каскада сопротивление R a нужно выбирать большим, порядка

показывает формула (7.1), коэффициент усиления при R a = 10 кОм равен всего 90, в то время как при R a = 100 кОм он достигает 800. Наличие емкости Са приводит, однако, к тому, что при усилении быстрых сигналов в анод лампы нельзя включать ни 10 кОм, ни тем более 100 кОм.

Рассмотрим для иллюстрации случай, когда каскад используется для усиления большого отрицательного импульса с очень крутым передним фронтом. Пусть амплитуда этого импульса столь велика, что он полностью запирает лампу. При идеальной работе каскада анодное напряжение лампы должно было бы мгновенно подняться до величины Еб.

В реальной схеме время подъема анодного напряжения опреде­ ляется временем зарядки емкости Са через сопротивление Ra. Как

потенциал на аноде лампы. Изменение выходного сигнала проис­ ходит, таким образом, не мгновенно, а по экспоненте с характери­ стическим временем RaCa. В этом случае форма выходного сигнала определяется, следовательно, не столько формой входного сигнала, сколько свойствами каскада. Паразитную емкость никогда не удается

порядка 1 0 " 6 секунд.

Выбор нагрузочного сопротивления каскада в быстродействую­ щих схемах определяется, таким образом, не столько необходимым коэффициентом усиления, сколько требованиями, предъявляемыми к точности воспроизведения сигналов. Общий коэффициент усиления схемы может быть затем поднят путем последовательного соединения нескольких усилительных каскадов. Коэффициент усиления от­ дельного каскада редко превышает несколько десятков. При работе со счетчиками часто требуется усиление 103 ч- 104. Усилители с такими коэффициентами усиления содержат обычна два-три кас­ када усиления.

Усилители постоянного тока. Среди различных усилителей по­ стоянного тока наибольшее значение имеют усилители малых токов. Рассмотрим особенности этих усилителей.

Всякий радиотехнический усилитель является прибором, реа­ гирующим на изменение сеточного напряжения, поскольку как анод­ ный ток, так и напряжение на аноде зависят главным образом от изменения напряжения на сетке лампы. При использовании лампы для измерения тока в сеточную цепь устанавливается сопротивление /?с, так что потенциал сетки оказывается пропорционален току:

VC= R J .

Усилители постоянного тока часто используются для измерения токов в ионизационных камерах. Эти токи составляют иногда всего 1СР14 -г- ІО" 12 А. Усилители малых постоянных токов называются электрометрическими усилителями. Измерение малых токов воз­ можно, конечно, лишь в том случае, если собственный сеточный ток лампы имеет еще меньшую величину. Ток первой (ближайшей к ка­ тоду лампы) сетки обычно оказывается довольно большим, и в элект­ рометрических усилителях в качестве управляющей чаще всего ис­ пользуется не первая сетка, а вторая. При управлении по второй сетке коэффициент усиления лампы по напряжению оказывается порядка единицы. Усилители постоянного тока, таким образом, не усиливают (или практически не усиливают) сигнала по напря­ жению. Их назначение заключается в том, чтобы создать в анодной цепи лампы большой, доступный непосредственному измерению ток, величина которого жестко связана с очень малым током, протекаю­ щим через сеточную цепь.

При исследовании работы каскада необходимо помнить, что управляющая анодным током разность потенциалов между сеткой и катодом включает не только подаваемый извне полезный сигнал, но и внутреннюю, контактную разность потенциалов. Эта контактная разность составляет обычно несколько десятых долей вольта и слегка зависит от температуры. Устойчивая работа усилителя постоянного тока возможна поэтому лишь в том случае, если усилитель хорошо прогрет и если сигнал составляет не менее чем несколько десятков милливольт (в течение коротких промежутков времени можно ра­ ботать и с меньшими сигналами).

Казалось бы, получение больших сигналов не представляет осо­ бой трудности и может быть достигнуто путем простого увеличения сопротивления Rz. Величина R c не может, однако, выбираться осо­ бенно большой из-за недопустимого возрастания постоянной времени каскада. В самом деле, связанные с сеточной цепью лампы рассеян­ ные емкости никогда не бывают меньше 10 пФ, а для ионизационных камер составляют не менее 20 пФ. Постоянная времени сеточной цепи составляет при такой емкости 0 , 2 секунды для сопротивления

ниях же порядка 1010 Ом сигнал оказывается невелик, и нужно принимать особые меры для увеличения стабильности усилитель­ ного каскада.'

Электрометрические усилители особой стабильности изготов­

кой 2 в цепи ее первой сетки. Положение точки 2 подбирается таким образом, чтобы в отсутствие сигнала ток через гальванометр не протекал.

Ток через гальванометр, вообще говоря, зависит как от измеряе­ мого тока / с, так и от напряжения источника Б. При специальном

Подаваемое на схему от источника питания напряжение регули­ руется с помощью реостата RH. Зайчик гальванометра при этом передвигается по шкале. При правильно собранной схеме в рабочем диапазоне напряжений всегда находится точка, в которой зайчик гальванометра поворачивает обратно. В этой точке показания галь­ ванометра в первом приближении не зависят от напряжения источ­ ника питания.

Усилители постоянного тока способны усиливать входные токи в миллиарды и даже сотни миллиардов раз.

§ 2. Дискриминаторы

При описании пропорциональных счетчиков и ионизационных камер отмечалось, что разные частицы (или даже одинаковые ча­ стицы разной энергии) создают импульсы разной амплитуды. Та­ ким образом, появляется возможность отличать одни частицы от других, измеряя амплитуду вызванных ими импульсов.

Простейшими анализаторами амплитуды импульсов являются устройства, разделяющие импульсы на два класса: импульсы с ам­ плитудой выше или ниже некоторого выбранного значения. Такие приборы называются амплитудными дискриминаторами или, точнее, интегральными амплитудными дискриминаторами.

Наиболее простым по устройству является диодный дискрими­ натор, схема которого изображена на рис. 327.

Рис. 327. Диодный дискриминатор.

Схема состоит из диода (кристаллического или лампового), двух сопротивлений и потенциометра, регулирующего потенциал ка­ тода. Если к катоду приложено напряжение -j-K0» то через диод проходят только положительные импульсы, амплитуда которых V превышает Ѵ0. Все остальные импульсы через диод не проходят.

Несмотря на простоту, диодный дискриминатор применяется сравнительно редко, главным образом из-за того, что амплитуда импульсов на его выходе зависит от амплитуды сигналов на входе. Схема, регистрирующая прошедшие через диод импульсы, должна в этом случае иметь одинаковую чувствительность к импульсам разной амплитуды, что, естественно, усложняет ее конструкцию.

Гораздо более удобны амплитудные дискриминаторы, построен­ ные на двух лампах. Наиболее широко распространена изображен­ ная на рис. 328 схема, известная под названием дискриминатора Шмидта. Катоды обеих ламп дискриминатора соединены вместе и через сопротивление R K подключены к земле. Потенциал на сетке лампы Л2 поддерживается с помощью делителя из сопротивлений R3 7?! и Напряжение на сетке Л1 регулируется потенциомет­ ром П.

Рассмотрим действие дискриминатора Шмидта. Заметим прежде всего, что состояние, когда ток идет одновременно через обе лампы,

626 ПРИЛОЖЕНИЯ

по одновременному срабатыванию двух разнесенных в пространстве

счетчиков.

Выделение совпадающих во времени сигналов осуществляют так называемые схемы совпадений.

Наиболее широко известна простая и надежно работающая схема совпадений Росси. Эта схема (рис. 329) состоит из п одина­ ковых ламп, аноды которых соединены вместе и через общее сопро­ тивление R а подключены к источнику анодного напряжения. В от­ сутствие сигналов все лампы Лъ Л2, ~ Л п открыты.

Рассмотрим случай, когда на сетки всех ламп, кроме одной, пришли отрицательные сигналы, так что эти лампы оказались за­ пертыми. Если сопротивление R a достаточно велико, а оставшаяся открытой лампа способна работать при небольшом анодном напря­ жении, то потенциал точки А окажется существенно ближе к по­

тенциалу катода, чем к потен­

тельные сигналы запирают все лампы одновременно. Ток через сопротивление R a в этом случае прекращается вовсе и потенциал точки А сравнивается с Ея. Схема Росси реагирует, таким образом, существенно большим сигналом на одновременное запирание всех ламп, чем на запирание только нескольких ламп или даже всех ламп, кроме одной. На выходе схемы совпадений устанавливается дискриминатор, отличающий большие импульсы совпадений от других, меньших по величине импульсов. Схема Росси с дискри­ минатором регистрирует, таким образом, только случаи одновремен­ ного прихода сигналов на входы всех ламп.

Важнейшей характеристикой схемы совпадений является ее разрешающее время, т. е. минимальный интервал времени, который должен разделять близкие импульсы, чтобы схема еще зарегистри­ ровала их как несовпавшие.

Как правило, оказывается выгодно применять схемы с возможно меньшим разрешающим временем, так как с увеличением этого времени увеличивается число случайных совпадений. При большом разрешающем времени и сильных загрузках счетчиков число слу­ чайных совпадений быстро возрастает и может существенно иска­ жать результаты.

628 ПРИЛОЖЕНИЯ

Нетрудно видеть, что изображенная на рис. 330 схема может работать и как схема совпадений. Для этого следует на вход 2 подавать сигналы положительной полярности, а смещение дискри­ минатора Д подобрать таким, чтобы он пропускал только совпавшие сигналы, амплитуда которых примерно вдвое превышает амплитуду одиночных импульсов.

Приведенная на рис. 330 простая схема антисовпадений хорошо работает только в тех случаях, когда на ее входы подаются хорошо выравненные по амплитуде и длительности сигналы, сформирован­ ные на триггерных ячейках. При желании получить установку, рабо­ тающую с коротким разрешающим временем, необходимо использо­ вать триггерные ячейки с небольшими выходными сопротивлениями.

Рис. 331. Блок-схема дифференциального дискри­ минатора.

Пусть, например, мы хотим получить схему антисовпадений с раз­ решающим временем ІО' 8 секунды. В этом случае постоянная вре­ мени RC должна быть меньше ІО' 8 секунды. Емкость монтажа со­ ставляет обычно около 10 пФ, сопротивления R u R.z, R3 должны быть поэтому менее ІО-8/ 10 - ІО' 12 = ІО3 Ом. Обычно в схеме исполь­ зуют сопротивления около 100 Ом. Соответственно выходное со­ противление каскадов, формирующих импульсы 1 и 2, должно быть менее 100 Ом. В "качестве формирующих элементов с таким малым выходным сопротивлением обычно используются транзи­ сторы (триоды или туннельные диоды). Разрешающее время подоб­ ных схем совпадений (и антисовпадений) достигает нескольких наносекунд.

С помощью схем антисовпадений можно построить дискримина­ торы, регистрирующие сигналы, амплитуда которых лежит в задан­ ном интервале, например от Ѵ0 до Ѵ0 + ДК0. Такие дискримина­ торы называются дифференциальными. Блок-схема дискриминатора изображена на рис. 331. Входной сигнал поступает сразу на два дискриминатора — дискриминаторы нижнего и верхнего уровней. Первый из них 1 пропускает сигналы с амплитудой, превышающей некоторое значение Ѵ0. Дискриминатор верхнего уровня 2 наст­ роен на пропускание импульсов с амплитудой больше Ѵ0 + Д1/0.

Выход дискриминатора верхнего уровня подан на канал запрета схемы антисовпадений.

Пусть на вход схемы пришел сигнал с амплитудой V < Ѵ0. В этом случае ни один дискриминатор не сработает и сигнал через схему не пройдет. Если амплитуда пришедшего сигнала будет боль­ ше Ѵ0, но менее Ѵ0 + А1/0, то дискриминатор / его пропустит, а дискриминатор 2 не сработает. Сигнал запрета на схему антисов­ падений не поступит, и импульс от дискриминатора нижнего уровня через схему антисовпадений пройдет на регистрирующее устрой­ ство. В случае, когда амплитуда входного сигнала превышает зна­ чение Ѵ0 + АѴ0, дискриминатор 2 выработает сигнал запрета, и на выходе схемы антисовпадений импульс не появится.

Разность уровней настройки первого и второго дискриминаторов называют шириной окна пли просто «окном» дифференциального ди­ скриминатора.

Нередко возникает необходимость исследовать амплитудный спектр поступающих импульсов. Это можно сделать двумя спосо­ бами. Можно установить параллельно ряд дифференциальных дис­ криминаторов, имеющих одинаковую ширину окна, но настроенных на различные значения Ѵ0 (сдвиг настройки от канала к каналу должен быть равен ширине окна АЕ0 ). В этом случае каждый из поступающих импульсов регистрируется одним из дифференциаль­ ных дискриминаторов схемы. Такие схемы называются многока­ нальными амплитудными анализаторами. Они позволяют быстро набирать статистику, но содержат большое число элементов, сложны по устройству и дорого стоятБолее дешевые схемы — одноканаль­ ные амплитудные анализаторы — содержат одну дифференциаль­ ную ячейку, которая переставляется с одного уровня на другой. Это осуществляется с помощью специального переключа­ теля уровней, изображенного в нижней части рис. 331. Переклю­ чатель одновременно меняет уровень Ѵ0 обоих дискриминаторов.

Отмечая число отсчетов в единицу времени при разных после­ довательных положениях переключателя уровней, шаг за шагом измеряют распределение импульсов по амплитуде или, как говорят, измеряют амплитудный спектр поступающих сигналов.

§ 5. П е р е с ч е т н ы е с х е м ы

В большинстве экспериментов ядерной физики непосредствен­ ные результаты опыта представляются числом срабатываний тех или иных регистрирующих схем. Нередко отсчеты следуют друг за дру­ гом со столь малыми интервалами времени, что обычные механи­ ческие счетчики не успевают их регистрировать. В этих случаях между электрическими регистраторами сигналов (счетчиками Гей­ гера, сцинтилляционными счетчиками и т. д.) и механическими счетчиками включаются промежуточные электронные устройства,