Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Поскольку разность длительностей учитывается в схе ме ЛУ, момент появления выходного сигнала ДД можно привязать в ней к спаду входного сигнала. Вариант при вязки к фронту или спаду входного сигнала выбирается переключателем на передней панели дискриминатора. Выбор вида привязки зависит от задач, решаемых в ходе измерений, и привязка к спаду входного сигнала повы шает надежность, уменьшая число ложных запретов на выделение выходных сигналов ДД.

Появление альтернативы в привязке выходного сигна ла дискриминатора существенно расширило возможности по отбору и селекции событий при постановке экспери ментов. И все таки, как показывает практика, «класси ческий» вариант привязки выходного сигнала дискрими натора к фронту входного незаменим и широко использу ется при временном анализе в микросекундной области. Характерно, что этот вид привязки и получения выходно го сигнала с электронных средств дискриминации приня то считать основным стандартным вариантом.

Следует отметить, что дифференциальный дискрими натор обретает новые возможности, если верхний А и ниж ний Б уровни дискриминации (см. рис. 32) могут и будут изменяться синхронно. Итак, если изменили уровень по рога Б, то на ту же величину следует изменить уровень порога А. В этом случае верхний порог А отслеживает все изменения нижнего порога Б.

Однако при этом любые изменения верхнего порога А никоим образом не должны влиять на величину нижнего порога Б. Такой вариант изменения порогов стал возмо жен за счет использования специальной схемы их зада ния и регулировки. Необходимо отметить, что примене ние специальной схемы исключает отмеченную ранее си туацию с «закрученными» порогами.

Если уровень верхнего порога А обозначить как UА, а нижнего порога Б — UБ, то разность между ними (UА – UБ) будет определять еще один крайне важный параметр схе мы ДД. Его величина, которая равна UАБ = (UА – UБ), по лучила название ширины канала дифференциального дис криминатора. Возможность установки данного параметра

в заданных пределах позволила перевести устройства это го вида в новую категорию.

Они получили статус структур одноканального ампли тудного анализа. Измерительный модуль такого функцио нального назначения получил название ДОКА — дискри минатор одноканального анализа. Техника этого направ ления в составе амплитудного анализа позволяет выделять и регистрировать лишь интересующие участки амплитуд ного, а значит, и энергетического спектров.

Создаются условия для выделения и регистрации ча стиц ядерного излучения только в установленном диапа зоне энергий. Величину диапазона задает ширина канала схемы ДД, управляющая линейными воротами, т. е. ли нейной схемой пропускания, которая включена перед аналого цифровым преобразователем. В таком случае го ворят о регистрации в установленных заранее амплитуд ных «окнах».

Эта форма регистрации стала возможной за счет синх ронного изменения порогов дискриминации при их одно сторонней взаимообусловленности, которая обеспечивает ся схемой ДД. Ширина «окна», как уже отмечалось ра нее, задается разностью между уровнями дискриминации в этой схеме, что и позволило назвать ее ДОКА (дискри минатор одноканального анализа).

Технические параметры унифицированного устрой ства дискриминации для амплитудного анализа приведе ны в таблице 2.

Все многообразие устройств дискриминации данного вида получили весьма широкое распространение и приме нение в экспериментальных исследованиях. Они выпуска ются целым рядом фирм Canberra, Ortec, Tennelec (США); Nokia, Fhilips, Silena и т. д. (Европа); ОИЯИ, Дубна, ИЯФ СО АН, Новосибирск, ПИЯФ, Гатчина, и др. (Россия), осу ществляющих свою деятельность в области ядерного при боростроения. Фирмы предлагают несколько вариантов таких устройств, которые выпускаются как в стандарте NIM, так и в стандарте САМАС.

7.5.

ТРЕБОВАНИЯ К ДИСКРИМИНАЦИИ ПРИ ВРЕМЕННОМ АНАЛИЗЕ

Наряду с амплитудным анализом в решении широко го круга ядерно физических задач применяется времен ной анализ. Выделяемая с его помощью информация от вечает на целый ряд вопросов, связанных, например, с моментом рождения частицы, с параметрами ее переме щения во времени и пространстве, включая момент ее ре гистрации в заданном месте. Это позволяет однозначно увязать полученную информацию с характером и парамет рами ядерных взаимодействий и превращений.

Особенно эффективно используется временной анализ в спектрометрии нейтронов по методу времени пролета. Благодаря этому методу получены весомые результаты в спектрометрии быстрых нейтронов с помощью различ ных времяпролетных методик измерений. Их особенность

состоит в том, что все они реализуются в наносекундной области. В силу этого временной анализ, осуществляемый

вэтой области, ведут с применением быстрой электрон ной техники нано и субнаносекундного диапазона.

Вамплитудном анализе, как известно, используются

восновном сигналы положительной полярности. Однако при временном анализе в данном диапазоне применяются главным образом сигналы отрицательной полярности. Их длительность лежит в пределах от единиц до сотен нано секунд. Могут использоваться и биполярные сигналы, но

вэтом случае первой всегда поступает его отрицательная составляющая.

Все эти факты следует отнести к особенностям «быстро го» временного анализа наносекундного диапазона. Харак терно, что измерительные электронные средства и струк туры, используемые в этом случае, получили название наносекундная электроника. Она ориентирована на выде ление, формирование и обработку быстрых сигналов от рицательной полярности. Именно сигналы такого вида поступают на вход и выделяются на выходе электронных устройств дискриминации и формирования.

Результаты временных измерений, т. е. их точность, определяются параметрами используемых электронных средств, а также характеристиками детектирующих уст ройств. Действительно, одни детекторы имеют высокие временные параметры, а характеристики других значи тельно ниже. Если сопоставить фронты сигналов детекто ров, то фронт сигнала сцинтилляционного детектора до ходит до 10–10 с, в то время как фронт сигнала ионизаци онной камеры составляет около 10–6 с. Этот же параметр

для полупроводникового детектора в среднем будет равен 2 10–9 с.

Кроме того, форма сигнала, а значит, и его фронт за висят от типа излучения, места попадания его в детектор, собирания света или носителей заряда, флуктуаций их сбора и т. п. Это ведет к амплитудному «разбросу» и обус ловливает «гуляние» во времени срабатывание порогово го устройства. Момент срабатывания этой схемы связы вают с выделением сигнала, который называют сигналом

временной отметки. Применение метода дискриминации для получения таких сигналов с предельной точностью и стабильностью является лишь одной из задач временного анализа. Среди других задач такого анализа прежде всего надо отметить точность измерения выделяемых интерва лов времени.

Одним из факторов нестабильности является дрейф параметров, как электронных средств измерения, так и устройств детектирования. Его проявление наблюдается в виде медленных изменений пороговых уровней, ухода и смещения параметров схем, выделяющих сигналы времен ной отметки. Эта реальность связана с изменениями тем пературы, режимов питания и т. п. Дрейф вызывает осо бую озабоченность и является крайне неблагоприятным фактором в продолжительных измерениях.

Эффект «гуляния» сигналов временной отметки обус ловлен еще рядом факторов. Среди них шумовые состав ляющие детектора и предусилителя, конечная длитель ность фронта сигнала и ее разброс, включая время распро странения сигнала и его флуктуации и т. д. Совокупность этих обстоятельств, определяемая в общем случае как временной статистический разброс, не способствует и не повышает точность выделения сигнала временной отмет ки. Наоборот, эти факторы ведут к ухудшению времен ного разрешения во временном анализе при регистрации наносекундных интервалов времени в виде временных спектров.

Стремление обеспечить высокую точность получения сигнала временной отметки привело к разработке целого ряда особых методов временной дискриминации. Наибо лее известными и широко применяемыми являются ме тод фиксации сигнала временной отметки по фронту им пульса, метод по пересечению нулевого уровня, а также метод следящего порога. Устройства, использующие та кие методы, получили название быстрые дискриминато ры или формирователи временной отметки. Вместе с тем существуют и другие способы выделения и формирования таких сигналов на базе специальных подходов к их обра ботке.

7.6.

БЫСТРЫЙ ДИСКРИМИНАТОР ПО ФРОНТУ ВХОДНОГО СИГНАЛА

Как показала практика, данный вид получения сигна лов временной отметки принято считать самым простым по технической реализации и наиболее распространенным по сфере применения. Сигналы выделяют, фиксируя мо мент превышения ими заданного уровня порога по абсо лютной величине, так как полярность входных импуль сов отрицательная.

Результат превышения фиксируется нормированны ми выходными сигналами отрицательной полярности, т. е. назначенной амплитудой и длительностью. Среди досто инств данного метода выделения и формирования сигна лов следует отметить прежде всего непритязательность его схемотехнических решений, их доступность и вполне до статочную простоту. Характерно, что незамысловатость конструктивных и технических решений обусловливает ряд преимуществ в виде надежности, экономичности и компактности, а также стоимости этой техники.

Величина порога задается и регулируется в пределах нескольких вольт. Для временного анализа диапазон его регулировки меньше, чем при амплитудном анализе, при близительно в 1,5–2 раза. Выходные сигналы таких дис криминаторов, как правило, токовые величиной 16–20 мА. Они создают на согласованной нагрузке в 50 Ом импульсы амплитудой 0,8–1,0 В отрицательной полярности. Длитель ность выходных импульсов не регулируется и совсем не большая по величине. Она составляет несколько десятков наносекунд и находится обычно в пределах от 20 до 50 нс.

Если сопоставить технику дискриминации амплитуд ного и временного анализа, то быстрый дискриминатор следует отнести к разряду интегральных дискриминаторов. С его помощью выделяют момент превышения входными сигналами порога по абсолютной величине. Эта ситуация подтверждается выходными сигналами, которые выде ляются быстрым дискриминатором. Структурная схема устройства и временные диаграммы ее работы представ лены на рисунке 33.

Рис. 33

Структурная схема быстрого дискриминатора по фронту входных сигналов (а) и временные диаграммы его работы (б):

ВЗЦ — времязадающая цепь; ВФУ — выходное формирующее устройство; ПУ — пороговое устройство; ФУ — формирующее устройство; –Eп — напря жение порога; R — установка порога; –Uп — заданная величина порога.

Входные сигналы (рис. 33б) отрицательной полярно сти поступают на пороговое устройство ПУ. Величина по рога задается и устанавливается многооборотным потен циометром R. На выходе схемы ПУ выделяется сигнал, если амплитуда входного импульса больше уровня порога UП. В качестве ПУ используются различные варианты быстрых компараторов тока или напряжения в интеграль ном исполнении. Ранее для этих целей применялись тун нельные диоды. Выделенные схемой ПУ сигналы запус кают выходное формирующее устройство (ВФУ).

Задача каскада ВФУ — обеспечить на выходе быстро го дискриминатора нормированные по длительности и амплитуде сигналы отрицательной полярности. В состав устройства ВФУ входят нерегулируемая времязадающая цепочка ВЗЦ и схема формирующего устройства ФУ. Они обеспечивают, как и в случае амплитудного интегрально го дискриминатора, заданные параметры выходных сиг налов временной отметки быстрого дискриминатора.

Параметры ВЗЦ не меняются, так как длительность выходных сигналов таких дискриминаторов не регулиру ется и находится в указанных выше пределах. На практи ке в качестве ВЗЦ нередко используют линии задержки в виде коаксиального кабеля, свитой пары изолированных проводов или печатной микрополосковой линии задерж ки. Это важно для получения стабильной длительности

быстрых сигналов, величина которой лежит в пределах от 5 до 20 нс.

На погрешность данного метода временной привязки влияет ряд факторов. В первую очередь необходимо отме тить ключевой момент, что точность привязки связана и зависит от крутизны фронта нарастания сигнала и его ам плитуды. Положение сигнала временной отметки будет «размыто» на оси времени. «Размытие» является доста точно характерным процессом, величина которого может превышать длительность фронта поступающих сигналов.

Данное обстоятельство обусловлено в основном разбро сом амплитуд входных импульсов (см. рис. 33б), что ве дет к неопределенности t в получении сигналов времен ной отметки. Такая же негативная ситуация возникает при нестабильности порога и при наличии шумовых со ставляющих во входных импульсах. Последние аспекты являются наиболее характерными для сигналов малой амплитуды.

Эта совокупность неблагоприятных факторов в значи тельной мере ограничивает сферу применения метода и техники дискриминации по фронту входных сигналов. Метод, как и электронные средства на его основе, широко используется в измерениях при наличии сигналов с кру тыми фронтами, при достаточно малом амплитудном диа пазоне их разброса и при существенном превышении ими уровня порога.

Примером таких сигналов могут служить импульсы, выделяемые с пикап электрода электростатического пе резарядного ускорителя, которые в измерениях служат стоповыми сигналами. На электроде они наводятся доста точно короткими сгустками ( сг 1 нс) заряженных частиц, обычно протонами. Естественно, что после усиления по лучаются сигналы практически одинаковой амплитуды.

В таком случае их формирование при измерении спек тров быстрых нейтронов по методу времени пролета обыч но осуществляется быстрыми дискриминаторами рассмот ренного типа. Применение электронных средств данного назначения будет всегда оправданно, если необходима при емлемая точность фиксации моментов времени при конк ретных ситуациях.

7.7.

ФОРМИРОВАТЕЛЬ ВРЕМЕННОЙ ОТМЕТКИ ПО ПЕРЕСЕЧЕНИЮ НУЛЯ

Метод дискриминации по фронту сигнала оказался непригодным при решении проблем измерений времяпро летных спектров быстрых нейтронов с разрешением не сколько единиц наносекунд и выше. Задачи такого плана все чаще возникали и имели место в смежных областях науки и техники. Желание получить высокую точность фиксации на временной оси сигнала отметки такого вида стимулировало целенаправленный поиск методов и элек тронной техники для решения этих задач.

Известно, что двойное дифференцирование при линей ном формировании сигналов повышает разрешение амп литудного тракта, улучшает соотношение сигнал/шум, обеспечивает получение биполярного сигнала, уменьшая таким образом флуктуации выходного нулевого уровня при высоких загрузках. При формировании биполярного сигнала было установлено, что смена его полярности, т. е. момент пересечения им нулевого уровня, довольно слабо зависит от величины амплитуды входных сигналов и ее изменений в значительных пределах.

Момент перехода от отрицательного уровня к положи тельному и наоборот можно использовать для точной отмет ки времени. Это понятно, поскольку момент изменения знака импульса фиксируется гораздо точнее, чем время его нарастания, и меньше зависит от амплитуды импуль са. Это легло в основу метода получения временной отмет ки по пересечению нуля. В таком случае проблемой мето да стала техника формирования биполярного импульса. Для получения такой формы сигнала можно задейство вать весь набор как пассивных, так и активных компо нентов.

Пассивные интегрирующие и дифференцирующие це почки типа RC и RL, а также привлечение операционных усилителей успешно решали эти проблемы в микросекунд ном диапазоне. Однако в наносекундной области с их по мощью такие проблемы решать стало невозможно, им про сто не хватало быстродействия. Для формирования нано

секундных биполярных сигналов были привлечены и ис пользованы другие компоненты в виде отрезков коакси альных кабелей, микрополосковых линий задержки, им пульсных трансформаторов и т. п.

Не рассматривая детально всю совокупность проблем, связанных с получением биполярного сигнала, фиксацией факта смены полярности, стробированием, селекцией и т. д., отметим лишь увеличение сложности устройства в целом. Эти обстоятельства стали одним из ключевых фак торов повышения точности измерений. Рассмотрим струк турную схему устройства и временные диаграммы его ра боты, представленные на рисунке 34.

В формирователе временной отметки или быстрого дискриминатора по пересечению нуля можно выделить два канала. Один из них, состоящий из схемы порогового уст ройства ПУ и элемента установки величины порога R, яв ляется, по сути, амплитудным интегральным дискрими натором. С его помощью отсекают шумовую и фоновую составляющие спектра, регулируя многооборотным потен циометром R величину порога. Данная ситуация отража ется на верней части временной диаграммы, представлен ной на рисунке 34б.

Рис. 34

Структурная схема формирователя временной отметки по пересечению нуля (а)

и временные диаграммы на выходах его базовых схем (б):

ВС — временной селектор; ВФУ — выходное формирующее устройство; ДН — детектор нуля; ПУ — пороговое устройство; ФБИ — формирователь биполярного импульса; –Eп — напряжение порога; R — установка величины порога; –Uп — заданная величина порога.