Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Другой канал состоит из формирователя биполярного сигнала ФБИ и детектора нуля ДН. Схема ФБИ решает проблему получения сигнала такой формы. На временной диаграмме отражен факт смены полярности при нарастаю щей части сигнала. Такой порядок и направление измене ния полярности не являются обязательными. Получение положительной или отрицательной формы биполярного сигнала зависит лишь от варианта реализации схемы ДН.

Затруднения в построении схем детекторов нуля выз ваны в основном шумовой составляющей, которая при сутствует в биполярном сигнале. Этот фактор ограничи вает точность получения сигнала временной отметки. Од нако ее стандартное значение для этого метода составляет 0,1 нс при изменении амплитуды входных сигналов в пре делах двух порядков и выше. Следовательно, если сигна лы на входе изменяются от 30 мВ до 5,0 В, то «гуляние» выходного импульса дискриминатора данного типа не пре высит 0,1 нс.

Функции, которые выполнили оба канала, далее объе диняются схемой временного селектора ВС. Подготовлен ный сигналом схемы ПУ селектор пропускает сигнал со схемы ДН, поступающий на запуск устройства ВФУ. На значение данной схемы состоит в формировании норми рованного выходного сигнала дискриминатора. Необхо димо заметить, что элементы схемы ВФУ и выполняемые ими функции практически аналогичны такому же устрой ству в быстром дискриминаторе по фронту входных сиг налов.

Рассмотрим некоторые достоинства такого варианта построения быстрого дискриминатора. Однако следует обратить внимание на ряд обстоятельств. В этом методе, на ранних этапах его реализации, функции получения сигнала временной отметки и регулировки уровня порога были совмещены. Данная реальность стала одним из основ ных сдерживающих факторов в его развитии.

Это в значительной мере ограничивало диапазон из менения порога, сужая выбор вариантов схем ФБИ и ДН, создавая дополнительные трудности по их модификации. Все эти ограничения в основном были сняты путем разде

ления таких функций. Это привело к повышению в не сколько раз точности фиксации временной отметки и обес печило существенный рост динамического диапазона ам плитуд входных сигналов. Данный аспект был уже отме чен ранее.

Кроме того, появилась возможность модификации обе их схем ФБИ и ДН независимо, а также использования для них новых схемотехнических решений и применения в их составе новой прогрессивной элементной базы. До разделения каналов в качестве элементной базы этих уст ройств использовались в основном туннельные диоды, применение которых во второй половине прошлого столе тия доминировало в быстрой электронной технике.

Тенденция роста и увеличения сложности устройств дискриминации ведет к значительному (почти в несколь ко раз) повышению точности выделения сигналов времен ной отметки. Использование новой элементной базы в виде многообразия интегральных схем также способствует при росту точности измерений. Достигнутые параметры от крывают новые горизонты и возможности в изучении фи зики процессов на базе временных методик измерений в наносекундной области.

7.8.

БЫСТРЫЙ ДИСКРИМИНАТОР ПО ПОСТОЯННОЙ ЧАСТИ СИГНАЛА

Рассмотрим еще один вариант получения сигналов вре менной отметки. Первой из его особенностей можно счи тать многогранность в наименовании электронных средств, созданных на его основе. Среди названий этой техники можно встретить формирователь со следящим порогом или по постоянной части амплитуды, а также дискриминатор с порогом, пропорциональным амплитуде или постоянной фракции сигнала и т. п. В различных зарубежных изда ниях, публикациях и статьях, связанных с методами ядер ной физики, все разнообразие электронных средств дан ной направленности известно под названием constant fraction discriminators.

Практика реализации этого метода в составе измери тельных электронных средств обеспечила им самые высо кие параметры среди многочисленных устройств данного назначения. Точность выделения сигналов временной от метки стала лучше 0,1 нс, и техника уверенно продвигает ее к значению 0,05 нс и выше. Данный способ выделения сигнала временной отметки можно отнести к разряду пре цизионных методов измерений, связанных с временной спектрометрией, проблемы которой лежат в наносекунд ной области.

В основу метода выделения сигнала временной отмет ки по его постоянной части положена модифицированная идея фиксации момента пересечения нулевого уровня. Такой момент создается специальным образом с помощью разделения маршрута передачи входных сигналов. В каж дом из направлений передачи сигналов их дополнительно обрабатывают линейными, но различными по характеру воздействия методами.

Далее путем линейного суммирования их объединяют вновь, получая достаточно характерную разновидность биполярного сигнала. С помощью детектора нуля опреде ляют момент изменения полярности такого сигнала, т. е. пересечения им нулевого уровня. Затем данный момент фиксируется в виде сигнала временной отметки. В этом заключаются основные положения, если так можно вы разиться, constant fraction идеи и метода.

Представленный алгоритм реализации метода дискри минации по постоянной части сигнала рассмотрим с по мощью структурной схемы быстрого дискриминатора, при веденной на рисунке 35а. Здесь же, необходимо отметить функциональное назначение базовых компонентов, вхо дящих в его состав. Временные диаграммы работы устрой ства, связанные с основными узлами, демонстрируются на рисунке 35б.

Детекторные сигналы, которые получают главным об разом с ФЭУ, поступают на вход дискриминатора. Они сра зу разделяются и направляются по трем маршрутам следо вания. Один из них состоит из порогового устройства ПУ и схемы установки порога –Uп. Эта структура выполняет

Рис. 35

Структурная схема быстрого дискриминатора по постоянной части сигнала (а) и временные диаграммы на выходе его основных узлов (б):

ВС — временной селектор; ВФУ — выходное формирующее устройство; ДН — детектор нуля; Инв — инвертор; ЭЗ — элемент задержки; — сумматор; –Eп — напряжение порога; R — установка величины порога; –Uп — заданная величина порога.

функцию интегрального дискриминатора, назначение и роль которого нам уже хорошо известны. Изменяя много оборотным потенциометром R величину порога –Uп, исклю чают регистрацию шумов и отчасти фоновые события.

Два других пути передачи входных сигналов служат для формирования биполярного сигнала. Один из них осу ществляет просто задержку входных сигналов с помощью элемента задержки ЭЗ. Его величина tзд с учетом алгорит ма получения биполярного сигнала должна удовлетворять условию tзд > tф. Схема ЭЗ призвана обеспечить задержку входного сигнала на величину, которая несколько боль ше длительности его фронта tф. Поскольку фронт быстрых сигналов с ППД и ФЭУ составляет единицы наносекунд, то в качестве ЭЗ обычно используется отрезок коаксиаль ного кабеля необходимой длины. Такой кабель метровой длины имеет задержку несколько меньше 5 нс.

Другой маршрут передачи входных сигналов для при дания им биполярной формы содержит обычный делитель напряжения R1 и R2 и инвертор Инв. Последовательность их включения непринципиальна и может быть изменена. Такая ситуация нередко встречается в схемотехнических решениях. Делитель напряжения, выполняя функцию

аттенюатора, ослабляет и уменьшает амплитуду входных сигналов. Анализ показал, что коэффициент ослабления

Авходного сигнала должен находиться в определенных пределах.

Для оптимального выделения и формирования сигна ла временной отметки его величина должна удовлетворять

условию A = R2/(R1 + R2) = 0,2 – 0,3 для сцинтилляцион ных детекторов. Для полупроводниковых детекторов дан ный коэффициент ослабления А несколько меньше и из меняется уже в других пределах от 0,05 до 0,2, т. е. равен

А= 0,05–0,2. Ослабленный, с уменьшенной до такой сте пени амплитудой сигнал (что демонстрирует временная диаграмма на рис. 35б) меняет свою полярность с помо щью схемы инвертора Инв.

Раздельное следование по обоим маршрутам передачи

входных сигналов, которые были обработаны по рассмот ренным алгоритмам, завершается схемой суммирования. В результате выполнения этой схемой функции линейно го суммирования на ее выходе выделяется биполярный сигнал. Момент смены полярности такой формы сигнала будет слабо зависеть от изменений амплитуды входных сигналов в значительных приделах. Динамический диапа зон изменения амплитуд может достигать 1:200 и более.

Момент смены полярности в выходном сигнале сум матора определяется схемой детектора нуля ДН. Детектор с высокой точностью фиксирует время пересечения сигна лом нулевого уровня. Этот сигнал, пройдя схему времен ного селектора ВС, подготовленную сигналом порогового устройства ПУ, запускает схему выходного формирующе го устройства ФВУ. Данная схема, что уже отмечалось ранее, нормирует выходной сигнал быстрого дискрими натора по длительности и амплитуде.

Характерно, что такая же идея может быть положена в компенсацию разброса не только амплитуды сигналов, но и их длительностей. Данный аспект имеет принципи альное значение для получения сигналов временной от метки с различных полупроводниковых детекторов. Фор мирующие устройства такого типа выпускаются фирма ми, которые специализируются на электронных средствах данного направления.

7.9. ПОВЫШЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ БЫСТРЫХ ДИСКРИМИНАТОРОВ

И РАСШИРЕНИЕ СФЕРЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Представлены и рассмотрены три основных варианта получения сигнала временной отметки с детекторных уст ройств. Быстрые дискриминаторы по фронту входных сиг налов обладают недостаточной точностью получения сиг нала временной отметки, но по быстродействию они вне конкуренции. Частота входных сигналов может доходить до 350 МГц и выше. Для быстрых дискриминаторов, вы деляющих сигналы по пересечению нуля, эта частота бу дет уже несколько ниже 200–250 МГц, хотя сохраняется тенденция ее роста. Диапазон частот входных сигналов быстрых дискриминаторов по постоянной части сигнала обычно лежит в пределах 100–200 МГц, сохраняя тенден цию роста данного параметра.

Важно отметить, что в быстрых дискриминаторах по постоянной части сигнала для достижения высокой точ ности выделения сигнала временной отметки элемент за держки делают свободно заменяемым. Цепь его включе ния в виде разъемов выводят на переднюю или заднюю панель измерительного модуля, где с их помощью можно подключить кабель необходимой длины. Такое техниче ское решение позволяет учитывать длительность фронта поступающих сигналов, сводя к минимуму влияние ука занного фактора, обеспечивая высокие параметры реги страции с помощью дискриминаторов данного типа при различных видах детекторов.

Все виды быстрых дискриминаторов, которые были представлены и рассмотрены выше, являются амплитуд ными селекторами интегрального типа. Регулируя ве личину их порога, можно осуществлять ее установку в пределах диапазона изменения амплитуд входных сигна лов. В ряде случаев возникает необходимость ограниче ния сверху, чтобы исключить из результатов измерений вклад, обусловленный экстремальными величинами сиг налов, связанных с фоновым излучением обычно косми ческого происхождения. Проблема такого плана, как из

вестно, решается применением дифференциального дис криминатора.

Особенности работы такого дискриминатора были об суждены, когда рассматривались подобные структуры для амплитудного анализа. Устройство дискриминации этого вида выделяет сигнал на своем выходе, если величина входного сигнала находится в пределах амплитудного «окна». Амплитуда сигнала на входе дифференциального дискриминатора выше нижнего порога дискриминации, но не превышает его верхний порог.

Все эти положения будут справедливы для быстрого дифференциального дискриминатора. В таком случае в рассмотренные нами быстрые интегральные дискримина торы достаточно ввести дополнительное пороговое устрой ство, которое, допустим, создаст и обеспечит им верхний порог. Тем самым они перейдут в новое качество, став, та ким образом, дифференциальными дискриминаторами.

Понятно, что сложность схемы в таких устройствах в целом возрастает. Это не вызывает сомнений, так как, по мимо порогового устройства, необходимо дополнительное логическое устройство, схема которого создаст и обеспе чит требуемый алгоритм работы быстрого дискриминато ра такого типа. Кроме того, следует отметить еще одну осо бенность в выделении сигналов временной отметки.

Если раньше эти сигналы получали в основном со сцин тилляционных и полупроводниковых детекторов, то в по следнее время номенклатура детекторных устройств зна чительно возросла. Появилась необходимость получения сигналов временной отметки с других детекторов: различ ные виды ионизационных камер и камер деления, дрей фовые камеры и камеры с сеткой, разнообразные коорди натно чувствительные и позиционно чувствительные де текторы.

В сигналах всех этих детекторных устройств доста точно высока фоновая составляющая. Например, в кали форниевой камере деления 252Cf выделяемый спектр ней тронов служит для калибровки спектрометров быстрых нейтронов по времени пролета. Регистрируя спектр, опре деляют разрешение и эффективность сцинтилляционного

нейтронного детектора. Располагая его на некотором рас стоянии от камеры, фиксируют момент регистрации ней трона сигналом СТАРТ.

Момент рождения и вылета нейтронов из камеры фик сируется сигналом СТОП, полученным из сигналов, свя занных с осколками деления. Процесс деления сопровож дается большим числом частиц, которые дают сигналы, связанные с фоновой их составляющей. Путем задержки сигналов с камеры деления создают условия для регист рации нейтронного времяпролетного спектра в режиме обратной временной шкалы. В обоих каналах регистрации используются быстрые дискриминаторы по постоянной части сигнала, которые, обеспечивая высокие временные параметры, решают проблему фона.

Расширение сферы применения позиционно чувстви тельных детекторов и привлечение временных методик измерений обусловили создание техники фиксации собы тий во времени и пространстве. В них стали использовать отметку времени по центру тяжести импульса, привязку к середине интервала времени и ее определение, а также

компенсацию разброса такой привязки и т. д. В основу реализации такой техники были положены различные варианты как одинарных, так и двойных параллельных и последовательных преобразований типа время — ампли туда и амплитуда — время.

Параметры унифицированного быстрого дискримина тора по постоянной части сигнала (constant fraction dis criminator) имеют значения, представленные в таблице 3.

Быстрые дискриминаторы, известные еще как устрой ства временной отметки, различных типов производят практически все ведущие зарубежные фирмы, которые занимаются производством электронных средств ядерно го приборостроения. Они предназначены для решения из мерительных задач во временном анализе наносекундно го диапазона. Эта измерительная техника выпускается как в стандарте NIM, так и в стандарте САМАС. Некоторые модули содержат до 8 таких устройств, размещенных в одном измерительном модуле.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сфера применения техники дискриминации и ее роль в экспе риментальных исследованиях.

2.Требования к основным параметрам амплитудных дискрими наторов.

3.Интегральный дискриминатор (ИД), назначение в эксперимен тах, его структура и функции его составных частей.

4.Дифференциальный дискриминатор (ДД), его основные функ ции и отличие от ИД, структура и состав ДД.

5.Какой метод обработки сигналов реализуют дискриминаторы и в чем его суть?

6.Дискриминатор одноканального анализа (ДОКА), его специ фика и роль, которая исполняется им в измерениях.

7.Какие задачи решают временные дискриминаторы в измере нии параметров ядерного излучения?

8.Быстрый дискриминатор по фронту входных сигналов, его на значение и структура. Достоинства и недостатки.

9.Назначение, структура и роль составных частей формировате ля временной отметки по пересечению нуля.

10.Быстрый дискриминатор по постоянной части сигнала, его структура и характерные особенности.

11.Сравните разновидности быстрых дискриминаторов по быстро действию и точности получения сигнала временной отметки.

Г Л А В А 8

МЕТОДЫ СОВПАДЕНИЙ

ИАНТИСОВПАДЕНИЙ

ИЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

В основу нелинейных методов обработки детекторных сигналов положено все многообразие способов и методов, а также различные электронные средства. Все они выпол няют в основном унифицированные функции ограниче ния, дискриминации и селекции. Селекция, как уже от мечалось, является одним из базовых вариантов отбора событий по заданному критерию (амплитуда, длитель ность, форма и т. п.). Решающая роль в выборе событий во времени и пространстве принадлежит методам совпа дений и антисовпадений. Их основные положения, спосо бы и электронная техника реализации будут представле ны в данной главе.

8.1.

СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ СОВПАДЕНИЙ И АНТИСОВПАДЕНИЙ

Возникшие (как и метод счета событий) на заре зарож дения ядерной электроники методы совпадений и анти совпадений широко применяются в различных областях науки и техники. На начальном этапе становления элект ронных методов ядерной физики счетный метод являлся удачной кооперацией электроники и электромеханики. В структуре счетчика присутствовали, как правило, две части: электронная и электромеханическая.