Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

•САНКТ ПЕТЕРБУРГ• •МОСКВА• •КРАСНОДАР•

2016

ББК 22.383я73 Д 30

Деменков В. Г., Деменков П. В.

Д 30 Начала электронных методов ядерной физики: Учебное пособие. — СПб.: Издательство «Лань», 2016. — 384 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специ* альная литература).

ISBN 978 5 8114 1902 9

Представлены основополагающие методы и электронные сред* ства обработки сигналов детекторов ядерного излучения. Изло* женные материалы связаны с физикой средних и низких энер* гий и отражают современное состояние экспериментальной базы и ее техническое обеспечение.

Для студентов направлений подготовки «Прикладные мате* матика и физика», «Физика», «Радиофизика», «Ядерная энер* гетика и теплофизика», «Ядерные физика и технологии», «Тех* ническая физика» и специалистов, эксплуатирующих технику измерения параметров ионизирующих излучений в ядерной фи* зике и смежных ее областях науки и техники.

ББК 22.383я73

Рецензенты:

О. А. ПЛАКСИН — доктор физико*математических наук, руко* водитель отдела ИРМиТ ФГУП «ГНЦ РФ ФЭИ»; А. А. АБАКУМОВ — доктор технических наук, профессор кафед*

ры электротехники и электроники факультета «Кибернетика» Обнинского института атомной энергетики филиала Националь* ного исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Обложка

Е.А. ВЛАСОВА

©Издательство «Лань», 2016

©В. Г. Деменков, П. В. Деменков, 2016

©Издательство «Лань», художественное оформление, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ядерно физические исследования представляют собой целенаправленный поиск и выявление закономерностей

встроении вещества. Их своеобразие состоит в том, что устанавливаются микроскопические свойства материалов на ядерном уровне. Эксперимент является ключевым зве ном в получении информации нового уровня и формата. Полученные знания используются при уточнении теории или для выявления ее новых положений. Это расширяет сферу исследований и помогает скорректировать, равно как и детализировать их направление. В таком случае со здаются условия для дальнейшего продвижения техники научных исследований, совершенствования планирования и организации эксперимента, включая поиск и примене ние новых методик измерений.

Совокупность электронной аппаратуры и средств вы числительной техники образуют автоматизированную си стему накопления и обработки данных, получаемых в ходе эксперимента. Сложность таких систем, их состав, струк тура и варианты применения определяются уровнем ре шаемых экспериментальных задач. Весьма весомый вклад

всферу изучения ядерных превращений вносят электрон ные методы ядерной физики, приборы и техника для экс периментальных исследований. Не последняя роль на дан ном направлении принадлежит средствам измерения па раметров ионизирующих излучений, включая ядерную электронику и ее наносекундную технику. Электронные средства этой техники весьма масштабно используются в изучении быстропротекающих физических процессов.

Представляемые материалы состоят из четырех разде лов, каждый из которых имеет дело с определенным на правлением и базовыми положениями регистрации пара метров ядерных превращений. В первом из них рассматри ваются основные положения регистрации ионизирующих излучений, детекторы и их сигналы. Демонстрируются ли нейные методы обработки сигналов, связанные с утратой энергии частицей в детекторе, и амплитудой выделенного им сигнала. Приведены схемы и электронная техника по лучения и линейной обработки детекторных сигналов. Среди электронных средств данного назначения рассмот рены различные предусилители, спектрометрические и пороговые усилители, расширители сигналов, суммирую щие усилители и усилители с задержкой и т. д., включая схемы линейного пропускания, восстановления постоян ной составляющей исходного уровня, а также устройства инспекции наложений аналоговых сигналов и технику их мультиплексирования. Линейные методы обработки де текторных сигналов совместно с электронными средства ми их реализации составляют основу для амплитудных измерений в спектрометрии ядерных излучений.

Во втором разделе обсуждаются шумы измерительно го тракта и меры борьбы с ними. Рассматриваются нели нейные методы выделения и обработки детекторных сиг налов, включая технику их ограничения, дискриминации и селекции. Демонстрируются схемы, выполняющие дис кретную обработку сигналов путем их нормирования по амплитуде и длительности. При этом до некоторой степени утрачивается связь между потерями энергии в материале детектора и сигналом, получаемым на его выходе. В таком случае можно говорить лишь о факте регистрации части цы, происходящем при определенных условиях. Пред ставлены методы и варианты технических решений реа лизации схем совпадений и антисовпадений. Этот вид электронной техники довольно масштабно используются при селекции и отборе событий, обеспечивая идентифи кацию эффекта либо подавление фона. Вместе с другими электронными средствами они входят в состав измеритель ных систем. Эти устройства, образуя логику отбора полез

ных событий при регистрации, повышают эффективность

инадежность измерений в целом.

Втретьем разделе демонстрируются методы и техника счета событий. Зафиксированная информация позволяет судить об интенсивности источников излучения. Приме няются как аналоговые, так и цифровые методы счета со бытий, причем последние могут регистрировать события с учетом живого или мертвого времени. Рассматривается наиболее распространенный метод исследования ядерных превращений — амплитудный анализ. Даны характерные особенности, основные параметры и техника его реализа ции. Обсуждаются методы аналого цифрового преобразо вания, которые нашли наиболее широкое применение во всем многообразии измерительных каналов различных спектрометрических установок. Раскрывается суть времен ного анализа и его ключевые разновидности. Представле ны электронные средства и совокупность схемотехнических решений, применяемые для измерений распределений ин тервалов времени в микросекундном и наносекундном диапазонах.

Вчетвертом разделе раскрываются базовые направ ления спектрометрии ядерных излучений, включая раз личные версии мультифакторного амплитудного и вре менного анализа. Обсуждаются вопросы и проблемы пре цизионных и долговременных измерений характерные для каждой разновидности анализа, включая их техниче ское обеспечение. Демонстрируются электронная техни ка и средства контроля параметров измерительных трак тов спектрометров, регистрирующих ядерные излучения. В довольно сжатой форме изложены вопросы стандарти зации электронных средств для автоматизации ядерно фи зических исследований на основе базовых стандартов ма гистрально модульного принципа их построения (САМАС, ВЕКТОР, FASTBUS, VME и т. д.).

Предъявляемые материалы и рассмотренные вопросы, а также обсуждаемая совокупность проблем должны пред ставлять интерес для студентов старших курсов физиче ских специальностей разных вузов. Ими могут воспользо ваться специалисты и инженерно технический персонал,

эксплуатирующий электронные средства различных ядер но физических установок и выполняющий измерения на их базе. Представленная информация может быть полез на специалистам, которые используют электронные мето ды ядерно физических исследований в смежных областях науки и техники, а именно: в геологии, нефтеразведке, мониторинге окружающей среды, в контроле и диагности ке деталей и материалов, в химии, биологии, археологии, медицине, включая космические исследования и т. п.

Основой изложенных здесь материалов послужил курс лекций, который в течение нескольких лет читается на ря де кафедр физико энергетического факультета Националь ного исследовательского ядерного университета «МИФИ» Обнинского института атомной энергетики. Авторы не претендуют на полноту изложения обсуждаемых матери алов, однако в них отражены и систематизированы основ ные положения электронных методов ядерной физики и технические средства ядерно физического эксперимента. Подбор материала может быть не совсем оптимален, а в ря де случаев и не в меру детализирован, однако авторы с бла годарностью примут все замечания по содержанию, струк туре и характеру изложения материалов, представляемых в данной работе.

Р А З Д Е Л I

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА ЛИНЕЙНЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ДЕТЕКТОРНЫХ СИГНАЛОВ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В материалах данного раздела рассматриваются базо вые методы регистрации ядерных излучений, а также не которые проблемы и трудности, обусловленные реализа цией этих процессов. Демонстрируются магистральные направления в изучении ионизирующих излучений, вклю чая особенности измерений их параметров. Обсуждаются основные виды детекторов и их сигналы. Отмечается вза имосвязь параметров и режима работы детекторных уст ройств. Рассмотрены преобладающие факторы, вызываю щие в них нарушения условий пропорциональности.

Проведена оценка параметров выходных сигналов га зонаполненных, полупроводниковых и сцинтилляцион ных детекторов и выполнен сопоставительный анализ их сигналов. Особо отмечено кардинальное преимущество полупроводниковых детекторов в точности измерения энергии ядерных излучений. Данный аспект связан с ми нимальными затратами энергии (около 3 эВ) на образова ние пары носителей заряда (электрон, дырка) в детекто рах этого вида. По результатам сравнительного анализа сделаны выводы, позволяющие глубже понять основные проблемы регистрации ядерных превращений. Обсужда ется функционирование типового варианта включения детектора и схема его замещения.

Раскрывается суть линейных методов обработки детек торных сигналов и своеобразие их усиления. Отмечены функции предусилителя и его разновидности. Приведены структура, характеристики и особенности зарядочувстви