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

630 ПРИЛОЖЕНИЯ

вырабатывающие на выходе один импульс на каждые 2, 4, 16 или даже 1000 импульсов, поступающих на их вход. Такие электронные устройства носят название пересчетных схем. Среди них наиболее широко распространены двоичные схемы.

Основу двоичной пересчетной схемы составляет бинарная ячей­ ка, называемая обычно триггерной. По сравнению со схемой дис­ криминатора Шмидта в схеме такой ячейки (рис. 332) введена допол­ нительная связь с анода второй лампы на сетку первой. Если уста­ новить в схемах обеих ламп одинаковые сопротивления и емкости, то схема оказывается полностью симметрична и при соответствующем выборе сопротивлений имеет два устойчивых состояния: состояние, когда лампа Л у открыта, а Лг закрыта, и состояние, когда лампа

Лі закрыта, а Л2 открыта. Как уже отмечалось выше (см. § 2), все промежуточные состояния (когда проводят обе лампы) оказы­ ваются неустойчивыми.

Из одного состояния в другое схему можно переводить элек­ трическими сигналами. Так, если подать отрицательный сигнал на сетку открытой лампы Лъ то лампа Л± закроется и схема перейдет во второе состояние. Следующий отрицательный сигнал, поступив­ ший на сетку первой лампы, не вызовет переворота схемы, так как лампа уже закрыта. Если же этот сигнал подать на сетку второй лампы, то ячейка возвратится в свое первое положение. Сигналы можно подавать поэтому на обе сетки сразу.

Запуск пересчетной ячейки осуществляется обычно через два диода, отбирающих сигналы отрицательной полярности, как это по­ казано на рис. 332 *).

Рассмотрим работу пересчетной ячейки несколько более по­ дробно. Пусть к началу работы схема находилась в первом состоя­ нии. По приходе первого отрицательного импульса схема перейдет

]) В некоторых случаях для управления пересчетной ячейкой используют сигналы, подаваемые на общий катод обеих ламп,

во второе состояние. При этом потенциал на аноде лампы Лг умень­ шится (отрицательный фронт импульса). По приходе второго им­ пульса схема возвратится в первое состояние и потенциал анода лампы Л2 примет первоначальное значение (положительный фронт импульса). Таким образом, в результате прихода на схему двух отрицательных импульсов с анода второй лампы снимается всего один импульс: схема пересчитала число импульсов в 2 раза.

Импульс, получающийся на аноде второй (или первой) лампы, можно использовать для запуска следующей ячейки. Для этого полученный со схемы сигнал дифференцируют на ячейке RC. После дифференцирования из него получаются два импульса: отрицатель­ ный (соответствующий уменьшению потенциала, т. е. приходу пер­ вого сигнала) и положительный, возникающий в момент прихода второго сигнала. Поскольку положительный сигнал не проходит через диоды, на вторую ячейку попадает только отрицательный импульс, в момент прихода которого ячейка переворачивается.

Для определения состояний, в которых находятся ячейки пересчетной схемы, в анодные цепи ламп ставят обычно неоновые лам­ почки.

§ 6. П е р е с ч е т н ы е с х е м ы н а д е к а т р о н а х

В промышленных приборах широко применяются пересчетные схемы на лампах тлеющего разряда — декатронах. Работа этих приборов основана на замечательном свойстве газового разряда: для возбуждения электрического разряда нужна существенно боль­ шая разность потенциалов, чем для его поддержания. При некото­ ром минимальном напряжении (потенциал гашения) разряд вообще гореть не может.

Декатроны устроены следующим образом. Вокруг анода, имею­ щего вид диска с небольшим бортиком, на равном расстоянии друг от друга расположены десять металлических штырьков, называемых индикаторными катодами (рис. 333). Между каждой парой индика­ торных катодов расположено еще два штырька — так называемые передающие катоды или подкатоды. Передающие катоды — по од­ ному из каждого промежутка — соединены в две группы, и от каж­ дой группы у ламп, имеется отдельный вывод. Все индикаторные катоды, кроме нулевого, также соединены в группу с общим выво­ дом. Нулевой индикаторный катод имеет отдельный вывод, который обычно соединяется с землей через сопротивление RK.

Анод лампы через сопротивление R a подсоединен к положи­ тельному полюсу источника питания, а индикаторные катоды через кнопку сброса К — к отрицательному полюсу, который обычно заземляется. Передающие катоды с помощью делителей поддержи­

ваются при повышенном напряжении, величина которого выбира­ ется так, что разность потенциалов между ними и анодом меньше потенциала гашения разряда. В этих условиях длительный разряд с анода на подкатоды оказывается невозможным. В течение неболь­ ших промежутов времени такой разряд гореть может — для этого

Рис. 333. Схема устройства и включения декатрона.

О — индикаторные катоды, ф — передающие катоды.

необходимо с помощью внешнего сигнала через емкость на некоторое время опустить потенциал подкатодов. Лампа заполняется благород­ ным газом.

При включении напряжения на декатрон в одном из промежут­ ков между анодом и каким-либо индикаторным катодом зажигается разряд. Номер катода, на который происходит разряд, зависит от случайных причин. Ток разряда вызывает на анодном сопротивлении R a столь большое падение напряжения, что разряд на второй катод зажечься не может (напряжение анод — катод оказывается ниже потенциала зажигания, но выше потенциала гашения разряда).

Для перевода декатрона в нулевое положение, когда разряд происходит на нулевой индикаторный катод, цепь всех остальных девяти индикаторных катодов разрывается с помощью кнопки К . После разрыва цепи паразитная емкость индикаторных катодов на землю быстро заряжается током разряда и потенциал индикаторных

катодов приближается к потенциалу анода. Когда разность потен­ циалов между индикаторными катодами и анодом становится меньше потенциала гашения, разряд тухнет и напряжение на аноде начи­ нает расти. Как только разность потенциалов между постоянно присоединенным к земле нулевым индикаторным катодом и анодом превысит потенциал зажигания, на нулевом катоде возникает раз­ ряд. Этот разряд продолжается и после отпускания кнопки R. Против нулевого индикаторного катода на аноде декатрона обозначена цифра 0.

Рассмотрим работу декатрона. Пусть для определенности «го­ рит» нулевой индикаторный катод. Так как вблизи горящего катода плотность зарядов повышена, то потенциал зажигания разряда двух ближайших передающих катодов оказывается заметно ниже, чем у всех остальных. Подадим на первую группу передающих ка­ тодов кратковременный отрицательный импульс такой амплитуды, чтобы между подкатодом Г и анодом возник разряд. Этот разряд вызывает дополнительное падение напряжения на R a, так что напря­ жение между индикаторным катодом и анодом уменьшается и при достаточно большой амплитуде запускающего импульса становится меньше потенциала гашения. При этом разряд на нулевой инди­ каторный катод прекращается.

В тот момент, когда отрицательный импульс на первую группу подкатодов оканчивается, подадим отрицательный импульс на вто­ рую группу передающих катодов. При этом, естественно, разряд перейдет с подкатода 1' на передающий катод 1", а после окончания импульса разряд перебрасывается на первый индикаторный катод. Действительно, перейти на подкатод Г разряд не может, так как после окончания импульса разность потенциалов между ним и анодом оказывается меньше потенциала гашения. С другой стороны, близость к передающему катоду 1" приводит к тому, что потенциал зажигания индикаторного катода 1 становится меньше, чем у дру­ гих индикаторных катодов. Поэтому после окончания отрицатель­ ного импульса на второй группе подкатодов зажигается именно первый индикаторный катод. Нетрудно видеть, что если изменить последовательность запускающих импульсов, т. е. если вначале по­ давать сигнал на вторую группу передающих катодов, а затем на первую, то разряд будет перемещаться в обратном направлении — против часовой стрелки.

Схема генерирования импульсов, необходимых для запуска де­ катрона, изображена на рис. 334. Усиленный триодом запускающий сигнал через емкость Сі подается на первую группу передающих катодов. Тот же сигнал поступает и на вторую группу подкатодов. Этот сигнал, однако, задерживается интегрирующей цепочкой R3C2 с достаточно большой постоянной времени.

Когда декатрон сосчитывает десятый импульс, разряд возвра­ щается на нулевой индикаторный катод и возникающий на нем

сигнал используется для запуска следующего декатрониого кас­ када или механического счетчика.

Разрешающее время двухимпульсных декатронов сравнительно велико и достигает 500 микросекунд. В связи с этим было предло­ жено несколько типов быстродействующих декатронов. Среди них наибольшее распространение получили одноимпульсные декатроны типа ОГ-3, разрешающее время которых не превышает 50 микро­ секунд. Такие декатроны имеют не две группы передающих като­ дов, а три. При этом расстояние между передающими катодами уменьшается, переход разряда на соседний подкатод происходит

Рис. 334. Принципиальная схема запуска двухимпульсного декатрона.

индикаторных катодов, дш— нулевой индикаторный ка­ тод, К — ключ сброса.

гораздо быстрее, и поэтому можно существенно сократить длитель­ ность запускающих импульсов. Уменьшение расстояния между катодами в двухимпульсных декатронах невозможно, так как при постоянном (не импульсном!) напряжении разряд на одном инди­ каторном катоде устойчиво горит лишь в том случае, если рассто­ яние между катодами достаточно велико. Схема включения декатрона приведена на рис. 335. Кроме выводов от группы индикаторных катодов и от первой, второй и третьей групп пере­ дающих катодов, отдельный вывод имеют нулевой индикаторный катод и передающий катод третьей группы, расположенный между девятым и нулевым индикаторными катодами. Отдельное включение этого катода обеспечивает более надежную работу прибора.

Одноимпульсный декатрон работает следующим образом. За­ пускающий отрицательный сигнал подается непосредственно (через большую емкость) на вторую группу катодов, а через небольшую

переходит с индикаторного катода на ближайший к нему передаю­ щий катод первой группы аналогично тому, как это происходит в двухимпульсных декатронах. Разряд горит до тех пор, пока не заря­ дится емкость Съ в резуль­ тате чего разность потенциа­

циала гашения разряда. Дли­ тельность запускающего им­ пульса сделана больше вре­ мени заряда емкости Сх. Поэтому к моменту гашения разряда на подкатоде первой группы разность потенциалов на ближайшем к нему под­ катоде второй группы оказы­ вается больше потенциала за­ жигания и разряд переходит на этот катод. На подкатоде второй группы разряд горит до тех пор, пока не окончится запускающий импульс, а за­ тем переходит на передающий

катод третьей группы, потенциал которого к моменту начала раз­ ряда равен нулю. После зарядки емкости С2 разряд с этого катода переходит на ближайший индикаторный катод. Таким образом, при приходе одного запускающего импульса разряд через три передаю­ щих катода переходит на следующий индикаторный катод — схема зарегистрировала очередной сигнал.

§7. Математическое дополнение

1.Поправки на мертвое время счетчиков и электронной аппара­ туры. Во время импульса, связанного с регистрацией частицы, и некоторое время после импульса счетчики Гейгера и электронная аппаратура оказываются нечувствительными к регистрации следу­ ющих частиц. При пренебрежении периодом неполной чувствитель­ ности принято делить время работы счетчика на два периода — ра­ бочий период и период мертвого времени. Частицы, прошедшие через счетчик в течение мертвого времени установки, остаются несосчитанными, так что число зарегистрированных частиц ока­ зывается преуменьшенным. В показания счетчиков должны быть поэтому внесены поправки на мертвое время.

Пусть установка за время измерений t зарегистрировала N событий. Обозначим через т мертвое время установки после им­

пульса. Полное время нечувствительности, очевидно, составило за этот период Л/т. Обозначим через /Ѵ11СТ число событий, которое сосчитала бы за время t установка, не обладающая мертвым вре­ менем. Из этих событий в среднем /Ѵнст -Л/т// приходится на мер­ твое время установки и оказалось пропущенным. Имеем, следова­ тельно,

Формула (7.2) позволяет вносить поправки на мертвое время счетчиков и электронной аппаратуры и находит широкое применение при обработке опытных данных. Следует, однако, помнить, что при­ менимость этой формулы ограничена случаем, когда поправки малы. При больших поправках следует, например, принимать во внима­ ние время неполной чувствительности (частицы, прошедшие в этот период, могут не только не регистрироваться, но и продлевать мерт­ вое время установки). Формула (7.2) не является в этом случае удовлетворительной и сама нуждается в уточнении. Уточнение формулы, впрочем, обычно не имеет большого смысла, так как при малых поправках все формулы дают практически совпадающие результаты, а при больших поправках вид точной формулы сильно зависит от особенностей применяемой аппаратуры и никогда не бывает сколько-нибудь хорошо известен.

Заметим, что вид формулы (7.2) существенно связан со случай­ ным характером распределения регистрируемых частиц во времени. В самом деле, пусть Nr/t = 0,2. Это означает, что суммарное мерт­ вое время счетчиков составляет пятую часть всего времени их работы. При равномерном распределении импульсов установка ус­ певала бы восстановить свою работоспособность задолго до прихода следующей частицы и никаких просчетов не наблюдалось бы. Про­ счеты появляются только из-за нерегулярного прихода следующих частиц.

При работе с электронной аппаратурой нередко возникают слу­ чаи, когда распределение импульсов во времени, не будучи равно­ мерным, не является все-таки вполне случайным, как это имеет место для прохождений частиц через счетчик Гейгера. Такие слу­ чаи возникают, например, при регистрации частиц установкой, содержащей механический регистратор и электронную пересчетную схему. При не очень больших коэффициентах пересчета мерт­ вое время такой установки определяется самым медленно действую­ щим ее звеном — механическим счетчиком. В тех случаях, когда загрузка механического счетчика велика, установка начинает да­ вать просчеты. Эти просчеты не могут, однако, быть учтены с по­ мощью формулы (7.2), так как приходящие с пересчетной схемы на

механический счетчик импульсы распределены во времени суще­ ственно равномернее, чем импульсы, поступающие на вход пересчетной схемы. Для уяснения вопроса приведем следующее простое рассуждение.

Пусть на вход пересчетной схемы в секунду поступает в сред­ нем N случайно распределенных во времени импульсов, и пусть коэффициент пересчета равен п. На выходе пересчетной схемы» образуется в среднем N In импульсов в секунду.

Средний промежуток времени, разделяющий два импульса на входе пересчетной схемы, равен, очевидно, 1/JV, а стандартное отклонение этого времени, грубо говоря, равно ему самому (см. ниже).

На выходе пересчетной схемы средний промежуток времени t между импульсами составляет nIN. За время t через схему про­ ходит в среднем Nt частиц. Стандартное отклонение этого числа

п. Если при работе без пересчета (п = 1) средняя флюктуация времени между двумя импульсами, как уже отмечалось, равна сред­ нему значению этого времени, то при п — 16 она равна уже всего 1/4, при п — 64 — всего Ѵ8 этого времени и т. д.

Более равномерное распределение импульсов существенно улуч­ шает условия работы механического счетчика, включенного после пересчетной схемы. Формула (7.2), в частности, дает при этом сильно завышенные результаты и непригодна для расчетов.

2. Разрешающее время схем совпадений и случайные совпаде­ ния. Рассмотрим установку, состоящую из двух счетчиков, рабо­ тающих на схему совпадений. Обозначим разрешающее время уста­ новки через т, т. е., иными словами, будем считать, что установка регистрирует два разделенных во времени импульса как одно­ временные, если промежуток между ними оказывается меньше .т, и регистрирует их как неодновременные, если интервал между ними больше т. Пусть, далее, загрузка одного из счетчиков равна Nx,

а другого — ѵѴ2 (под загрузкой понимается число импульсов, регистрируемых счетчиком в единицу времени). Пусть в неко­ торый момент времени tx первый счетчик зарегистрировал очеред­ ное прохождение частицы. Если второй счетчик в промежуток

tx— X < t < ty + т также зарегистрирует прохождение частицы, произойдет случайное совпадение отсчетов в счетчиках. При загрузке первого счетчика Ny полное время, в течение которого отсчеты вто­ рого счетчика оказываются случайно совпавшими с отсчетами пер­ вого, составит, очевидно, в секунду Ny2т. За это время второй счетчик сработает Асл раз:

Число случайных совпадений, таким образом, пропорционально разрешающему времени установки и п р о и з в е д е н и ю з а г р у ­ з о к обоих счетчиков. Если, в частности, оба счетчика работают от одного радиоактивного источника (измеряя, например, случаи одно­ временного испускания двух частиц), то число случайных совпадений оказывается пропорциональным квадрату интенсивности источника, в то время как число истинных событий пропорционально, конечно, первой степени интенсивности. При работе на совпадения нельзя, таким образом, применять особенно сильные источники; нужно внимательно исследовать число совпадений, которые являются слу­ чайными.

ных частиц, «Наука», 1966.

VIII. НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ, ВЫПУСКАЕМЫЕ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ

§1. Усилитель постоянного тока (микрорентгенометр

'типа «Кактус»)

Прибор типа «Кактус» служит для измерения токов от 10“11 до 2 - КГ7А и является балансным двухкаскадным усилителем постоян­ ного тока. Первый каскад усиления содержит двойную электроме­ трическую лампу 2Э2П, сеточный ток которой не превышает ІО-14 А. Этот каскад вместе со входными высокомегомными сопротивлени­ ями собран в выносном герметичном блоке. Выносной блок монти­ руется, как правило, вместе с ионизационной камерой. На выходе усилителя включен стрелочный прибор, расположенный на лице­ вой панели. Показания прибора линейно связаны с величиной измеряемого тока.

На передней панели прибора рис. 336 находятся следующие ор­ ганы управления: / — тумблер включения прибора «Сеть», 2 ~ пе­ реключатель «Поддиапазоны» на пять положений, с помощью ко­ торого производится дистанционное переключение высокомегомных сопротивлений в цепи управляющей сетки входной лампы, 3 — тумблер «Установка нуля» — «Работа» (в положении «Установка нуля» с помощью специального реле управляющая сетка входной лампы отключается от собирающего электрода ионизационной ка­ меры и заземляется), 4 — ручка «Установка нуля», 5 — кнопка «Проверка» (при нажатии этой кнопки на управляющую сетку

Рис. 336. Передняя панель усилителя постоянного тока типа «Кактус».

входной лампы подается постоянное напряжение 0,25 В), 6 — ручка «Сигнал», служащая для включения схемы световой и зву­ ковой сигнализации, срабатывающей, когда измеряемый ток на 20% превышает максимальное значение, указанное на шкале при­ бора, тумблер 7 включает высокое напряжение (250 В) на иониза­ ционную камеру, 8 — сигнальная лампочка.

Порядок включения прибора, а) Перед включением в сеть уста­

в положение «Установка нуля»; колодку на трансформаторе по­ ставьте в положение, соответствующее напряжению питающей сети.

б) Подключите прибор к сети, включите тумблер «Сеть» и дайте прибору прогреться в течение 15-f-20 минут.

в) После прогрева установите стрелочный прибор на нуль при помощи регулятора «Установка нуля»,