книги из ГПНТБ / Гуртовой М.Е. Вопросы физики быстрых нейтронов. Спектрометрия быстрых нейтронов по времени пролета

-

63

5 )

Ч увствительность

по

входам

(

м в);

6)

"Долговременная"

стабильность

S

(н с е к /ч а с );

7 ) Загрузочные характеристики (

и м п /сек).

Не

останавливаясь

на характеристиках

1 , 2 , 5 , 6 , смысл ко­

торых

ясен , рассмотрим несколько подробнее остальные .

Временное

разрешение

Т

определяется

по

ширине

пика на

полувысотѳ. При атом различает

: а )

"схем ное"

(со б стве н н о е )

временное разрешение,

полученное

при

измерении

со

стандартны *

ми

импульсами

от

генератора

;

б )

"р еальн ое"

временное

р азр е­

шение

с

учетом

амплитудного

разброса

входных

импульсов

(п о ­

лученное

при

измерении

с

импульсами

от

одного

детектора

с

последующим

разветвлением

и задержкой

одного

из

них

) ;

в ) "фи­

зическое

временное разрешение

(

полученное

в

конкретных

условиях физического эксперимента ) .

При рассмотрении

линейности

Р

следует

учитывать

,ч то

константа преобразования

не

является

одинаковой в

разных

точках

рабочего

диапазона ,

т . е .

f f '—

не

равна

усредненной

постоянной

величине

^

й амплитуда

выход­

ного

импульса

J i t i ,

, а

относительное

отклонение

от

линейностир1=

—

5113

ДиФФеРенпиальная нели -

нейность

связана

с*паразитными

колебаниями

,

модулирующи­

ми

форму интегрируемого

тока

(

тока

заряда

емкости)

(Р е 6 7 ) .

Интегральную

нелинейность

относят

ко

всей

рабочей

части

вре­

менного

диапазона

t

»

т . е ,

tftv - Ѵ к і

(19)

характеристики

(

как

по

входам

,

та к

и по

ЗагрузочныеР =

f f f

выходу )

определяются

максимальным

количеством

импульсов в

единицу

врем ени

,

при котором

основные

параметры

преоб­

р азователя

изменяются

в

допустимых

пределах

. Их можно

о д е-

нить

по

соответствующим

мертвым временам.

Лучине

преобразователи

времени

в

амплитуду

в настоящее

время

имеют

отклонения

от линейности

менее

и схемное

временное разрешение

около

4 -6 п сек .

Конкретные схемные решения преобразователей очень разно­

образны

и выбираются

они

в

зависимости

от

используемой с о в -

местно

с

апппратурн

эксперимента , например,

преобразователем ''ш

условий

(

Ре67,Ф и 65,Л р 65)

и

др.

Сейчас

особое

внимание

уделяется

улучшению "физическо­

г о " разреиения преобразователей , которое

на один-два поряд­

ка

xjK e

"схем ного"

за

счет

плохого

выделения

измеряемого

интервала .

В спектрометрах

быстрых

нейтронов измеряемьй

ветер

-

вал

времени

обычно

выделяется

,

с

одной

стороны,

сигналом

от

детектора нейтронов

и,

с другой

стороны,

опорныш

импуль­

сами

(

при

работе

с

импульсным

источником

нейтронов

) ,

влні

сигналом

от

детектора

сопутствующих

частиц .

Как правило, для регистрации нейтронов используется сц)й*і-

тилляционные счетчики . Статистический характер

процессов

в Ä #-

текторе , а такие зависимость крутизны

Фронта

от

амплитуды

выходного импульса

фотоуыновиталя

не

позволяет

однозначно

произвести временную привязку . Для сведения к минимуму ука ­

занных неоднозначностей

разработаны

и постоянно

соверш енству­

ются

быстрые

сцинтилляторы

( Би55,

Е г63,Гр 68,0М 70а)

в вре -

менные

фотоумножители

(

Г а 6 6 ,Х а65,К а69,А к 60,К у 67,В о 67,К у б 5).

Ra

выходе

фотоумножителя

получает

импульс

тока

или

напряжения

в зависимости

от

способа

временной

привязки

и

выбора

конкретной схемы

для

его

г залнзации.

Можно осущ ествить привязку к переднему фоонту

импульса

при

постоянном пороге

срабатывания

. При

этом

запуск

форми­

рователя , с последующим включением

п реобразоватв- -

ля

,

осущ ествляется

при

достижении

импульсом

порога

дискри­

минации ( срабатывания) . Момент срабатывания

сильно

зависит

от

амплитуды

импульсов

,

особенно

в

области

малых амплитуд

(

р и с .2 6 ),

т . к .

импульсы

разных

амплитуд

имеет

различную

крутизну

нарастания

и достигают

порога

срабатывания

в

р аз­

личные моменты

времени.

Уменьшить

влияние

амплитудного

разброоа

при данном

ОНО«

собе

привязки

можно двумя

путями .

Прежде всего

-

ограничить

область

используемых

амплитуд

путем

введения

дополнитель -

-

66

-

ного

амплитудного отбора

. Однако

это

не

всегд а

лучший

путь , т . к .

он

приводит

к

потере значительной части инфор -

нации .

Можно понижать

порог срабатывания,

хотя

он

тоже

не

может

быть

слишком

низким

. При понижении

порога

во зр аста ­

ют

загрузки

и з -за

шумовых

и фоновых

импульсов,

возр астает

влияние

предимпульсов

( Бобйб,

В о 6 4 в,Л а 6 7 а ).

Кроне

того

,

крутизна

самого

импульса

на начальном

участке

заметно

по­

нижается

и з -за

стати сти чески х

процессов

и

особенно

после

прохождения

систем с

ограниченной

полосой

пропускания

(

уси­

лители,

кабел и ).

Как

показано

в

ряде

работ

(

Ма

67

,

Ха

6 5 , Габ б .Б ебб ,

М е67а) лучшее

временное

разрешение

можно

получить

при

пороге,

составляющем

около

1%

от

максимальной

амплитуды

для

медлен­

ных

сцинтилляторов

(

типа

N Q J ( T I )

)

и около

3^20^

для

быстрых

пластических

сцинтилляторов.

Это

означает

,

что

при

постоянном

пороге

динамический

диапазон

достаточно

узок

(Е т а х

Д

т 1 п =

1 ,5 )

Для

расширения

динамического

диапазона

предложены

схемы

с

автоматической

регулировкой

порога

срабатывания

С метод следящего п орога)

(

Ы е67).

Анализ

метода

следяще­

го порога

,

произведенный

в

работе

(

Др69а), показал,

что

временной

разброс

не

превышает

±70 п сек,

если

амплитуда

входного

сигнала

не

меньше

утроенной

величины порога.

Для

уменьшения

амплитудной

зависимости

применяются

также

различные

методы

предварительного

формирования

вход­

ных

иш ульсов

: усилители

-

ограничители

,

дифференцирова -

вн е

или

обострение

с

помощью нелинейных

элементов

,

а

так ­

же

метод

пересечения

нуля.

При использовании

последнего ме­

тода

входной

импульо

при

помощи

отрезков

короткозамкнутых,

линий

превращается

в

биполярный

и временная

привязка

про­

изводится

к

точке

пересечения

нуля,

положение

которой

-

67

-

до некоторой степени не зависит

от

величины

амплитуды

(ЧебО,

К а70).

Здесь минимально

достижимое

разрешающее

время

хуже,

чем

при

. использовании

метода

пороговых

схем

(

Ак68

,

Меб7а

,

Еебб" ) ,

поскольку

в

этом случае

порог

регистрации

обычно

со ответствует

половине

полного

заряда,

образу® -

щегося

на

выходе

фотоумножителя

. Кроме то го

,

для

устано в­

ления

момента

перехода

через

нуль

необходимо

понижать .

порог

чувствительности

схемы

,

что

приводит

к

перегрузкам

( щум , фон, прелишульсы ) . Конечное

значение

порога

неиз­

бежно

"ч у в ств у е т "

амплитудную

зависимость.

Существует

еще одна

возможность

уменьшения

амплитудной

зависимости. Она заклю чается в

том

,

что

при

помощи

так

назы­

ваемых

амплитудных

компенсаторов

вырабатывается

сигнал р ас­

согласования

(

компенсирующий

сигнал

)

,

который

должен

скомпенсировать

ошибку

,

возникающую

и з-за

амплитудной

за ­

висимости.

На

рис.

27

коивая

2

показывает

вид

сигнала

, не­

обходимого для полной компенсации. Кривая

I

(

сигнал

ошибки)

получена в предположении , что

в

диапазоне

0 , 1 -

0 ,9

амплиту­

ды передний

Фронт

импульса

наоастает

линейно.

При

пороге

срабатывания

Ѵ0

запазднваяие

определяется

как

Т

Ъ .

гд е :

Т

-время

нарастания импульса

;

Ѵі

Ѵ[ -амплитуда входных импульсов .

На

выходе

преобразователя

VK = y t - g Z i t

,

т . е .

сигнал

ошибки

Ѵд^- =

$ A t =

g T

- ^ r - .

На

рис. 27

сигнал

ошибки

представлен

в

единицах

Т

,

как

функция

входного

сигнала

V j

в

единицах

Ѵ0 .

Часто

сигнал

полной компенсации

(

кривая

2 )

апрок -

-

69 -

симируется

линейной функцией

амплитуды

входного сигнала

( Ад 6 4 а ) .

В этой

случае

нельзя получить

хорошую компен­

сацию

в большом

динамическом

диапазоне

. Например,

для

ІО - кратного

динамического диапазона

максимальное

откло­

нение

от

сигнала

полной

компенсации

составляет

Д 1 =

0 ,5 Т .

Применение нелинейных методов

компенсации

может

з н а - .

чительно понизить

это значение

(

логарифмирование

вход -

ного

сигнала

, двойное

логарифмирование

,

кусочнолинейная

апроксимация , дифференциальный метод )

(

Д р67,С и69,Л а6б).

При двойном

логарифмировании

й і — .0

<>$•?:

( Д р 67),

Существенным

недостатком амплитудных

компенсаторов яв

-

л яется то ,

что они не обладают

достаточным

быстродействи

-

ем и универсальностью . Повидимому наиболее перспективным яв­

л яется метод следящего порога , в котором сочетаются преиму­

щества

как

пороговых

схем,

так

и метода

пересечения нуля .

Действительно, с одной стороны, осуществляя привязку к

постоянной

части импульса,

можно добиться

оптимального

раз­

решения, связанного со статистическими процессами в

д етекто ­

ре . С другой

стороны,

как

и в

методе

пересечения

нуля -

уменьшить амплитудную

зависимость .

В работе

(£ а 7 0 )

сообщ ается, что

использование

этого

метода

обеспечило малое

( 0 , 2

ч сех

) смещение

генераторно­

го пика

в

стократном

диапазоне

амплитуд

импульсов

от

ген е

-

ратора

. В

реальных условиях

( ФЗУ-ЗО,

Ф3 7 -6 3 )

с

пластмас

-

совыми

сцинтилляторами 0

30x30

мм2 и 0

100x30

мн^

для

/ - /

-совпадений

получено

разрешение

1 ,6

нсек

и

2

нсек

для

совпадений C m

при пороге

90

кэв

по JC - кван­

там.

Выше были рассмотрены

способы временной

привязки

к

импульсу ,

поступающему

на

преобразователь

от

детектора

нейтронов

. На второй

вход

преобразователя

поступают

им-

пульсы

от детекторов

сопутствующих

частиц

или опорные

импульсы

( ри’с . І )

. Чаще в се го

в

к ачестве

детекторов

сопутствующих частиц

используют

тонкие

сцинтилляторы

* (

Х сб б ).

в

атом

случае

методы

временной

привязки анало­

гичны ■

разобранным выше. Если при

этом

желательно

одновре­

менно

получить

также

энергетический

спектр

сопутствую ­

щих частиц,

то

используют

полупроводниковые

детектора

( Мо67а

) ,

так

как

пластические

сцинтилляторы

имеют

низкое энергетическое разрешение . Здесь появляются допол­

нительные

трудности

временной

привязки

и з -за

низкого уров

ня

получаемого

оигнала

. Усилители

должны

удовлетворять

трудносочетаемым

требованиям

временного

и амплитудного

анали за.

Некоторые

схемные

решения

разделения указанных

каналов

даны

в

работах

(

Др67а,

Моб7,

А к 7 І).

При работе

нейтронного

генератора

в

импульсном

режи­

ме

опорные

импульсы

наиболее

просто

сформировать

и з . эле

ктрнческих

сигналов

от

генератора

,

отклоняющего

пучок.

Этот

метод

применяется

на

т е х

ускорителях,

гд е генератор

нарезания

находится

под потенциалом

земли

(

нарезание

после

ускорения

, тандем ) .

Если

нарезание

осущ ествляет­

ся под высоким потенциалом , то метод

становится

неудоб -

ным

по двум

причинам

. Прежде в с е го

затруднена

привязка

к генератору нарезания . Для привязки

используют

еыкост -

ную

с в я зь ,

настроенные

контура,

и другие

методы

. Кроме

то го ,

на

временной

шкале анализатора

нуль

времени

смеща­

ется

при

изменении

энергии частиц ,

а

также

появляется

неопределенность

привязки

при

недостаточной

стабильно -

стж

ускоряющего

напряжения.

Свободны от

этих

недостатков

методы

снятия

сигнала

-

71 -

с мишени (

иш ульс

то ка,

импульс

напряжения

,

импульс

с в е ­

т а ,

создаваемого

пучком

в

сцинтилляторе на мишени или вбли­

зи н ее)

(

ФибЗ).

Однако,

к сожалению, и эти методе либо

затрудняют

измерение

тока

на

мишени,

либо

не

все гд а

приме­

нимы

без

значительных усложнений .

В последние

годы

все

эти

методы

вытеснила

наиболее

удобная

система

индукционного

(

сигнального

)

электрода,

применявшаяся

ранее

на

ускорителях

высоких

энергий

для

получения

временной

и пространственной информации о движе­

нии

сгу стк а

ускоряемых

частиц

(

К а62,Б е62,И а65).

При прохождении

сгу ст к а

заряженных частиц

ск во зь ци­

линдрический

электрод

на

нем

индуцируется

напряжение

г д е :

L -сила тока в

импульсе;

f

-

длительность

импуль­

с а ;

Q. -величина

наведенного

заряда

;

С -

емкость

элект

-

рода .

(максимальный

импульс

напряжения

получается

если

ем

-

кость

электрода

С

минимальна

и

если

длина

электрода

превышает

длину

ионного

сгу ст к а .

В оптимальном

случае

длина

электрода

должна быть

равной

длине

сгу ст к а

,

который

имеет

протяженность

L = lit = 0,042-t (Е/ггі)'/г (см)

<21

)

гд е

: Е

-

энергия

частиц

в

кэв

;

/7 7 -

масса

частиц в

атомных

единицах.

При длительности

импульса

7Г

в

несколько

наносе­

кунд

ток

в импульсе

20 -3 0

мка уже обеспечивает до статоч ­

но малую временную

неопределенность привязки

-

в се го

око -

ло

ІО "*0

сек

(

Б е 6 2 ,Н а 6 5 ). Поскольку

на

практике

даже

при

простои

прерывании

пучка

импульсный

ток

д о сти га ­

ет

I

ма,

имеется

большой

запас

по то ку .

В

олучае

тандемов,

когда

импульсный

ток

имеет малую

величину,

свя зь

осущ ествляется

непосредственно

с

v s нерп-

тором

нарезания.

§ 3 . Вспомогательная электроника.

Кроме основных

узлов спектрометра

имеется

ряд

вспо

-

могательных

и контрольных устройств . К ним относятся

преж­

д е

в с е го устрой ства

амплитудного

отбора

,

медленные

и быст­

рые

схемы,

совпадений

устрой ства

сравнения

,

калибровочные

блока

и т . д .

Назначение

их

и

применение

в

конкретных

схемах

зави ­

сит

от условий

физического

эксперимента

. Например,

канал

амплитудного

отбора

может применяться

в

спектрометрах

для

улучиения

временного

разрешения

(

при

отсутствии

эффѳк

-

тивных методов

амплитудной

компенсации

) ,

а

также

для

установления

энергетического

порога

регистрации,

чтобы

исключить

наложение

спектров

разных

периодов. Для

этих

целей

линейный

сигнал

снимают

с

последнего

динода

фото­

умножителя

,

в то время

как

быстрый

временной

сигнал

бе

-

рут

о анода.

Часто

для

исключения

шумов

фотоумножителя

сцинтил

-

лятор "просм атривается" еще одним

фЬѴоумнокетелем .

Быстрая схема

совпадений

выделяет

только

полезные

им -

пульсы

(

Цу70,

А нбба). Например,

при

изучении

ядерных

температур

в

работе

Ануфриенко и др .

(

Анбба)

эффективный

порог

регистрации

снижен

таким

способом

до

0 ,1

Мэв,

а