Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

татов измерения в цифровой форме, получение их с высо кой точностью (более чем на порядок по сравнению с ана логовым вариантом) явно демонстрируют их существен ные преимущества.

9.4.

СЧЕТНЫЙ МЕТОД — БАЗА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ТЕХНИКА ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Практика решения экспериментальных задач показы вает, что счетная информация в любой форме ее представ ления преобладает в изучении параметров ядерно физи ческих процессов. Счет числа событий в пределах задан ного времени часто остается наиболее важным параметром измерений. Независимо от применяемых методик изме рений экспериментальные данные такого вида использу ются при решении многих проблем фундаментальных и прикладных исследований.

Счетная информация, как правило, доминирует в со ставе экспериментальных данных, связанных с изучени ем, измерением и оценкой параметров радиоактивных из лучений. Экспериментальные данные о потоках ионизи рующего излучения, их плотности, пространственном и временном распределении, а также ряде других парамет ров содержатся в детекторных сигналах. В таком случае получаемая с помощью счетных устройств информация может быть связана с различными характеристиками изу чаемых процессов.

Это может быть просто число событий или интенсив ность излучения, количество совпадений или антисовпа дений, загрузка по основному или контрольному детекто ру, набор по «живому» или «мертвому» времени и т. п. В любом случае получаемая счетная информация носит универсальный характер. Она может быть как основной, так и просто дополняющей или вспомогательной. Все это определяется задачами и целями экспериментальных ис следований.

Для получения данных эксперимента используются автоматизированные информационно измерительные си стемы, обязательной составной частью которых являют ся различные счетные устройства. С их помощью регист рируется все многообразие счетной информации. Необхо димо выделить и отметить наиболее важные функции счетных устройств:

счет поступающих событий, т. е. операция последова тельного суммирования входных сигналов или их вы читание;

хранение информации о числе зарегистрированных сигналов, как правило, в оперативном режиме;

вывод и представление зарегистрированных данных в установленном формате или заданном в виде.

Не рассматривая всю совокупность счетных устройств досконально и обстоятельно, отметим лишь наиболее об щие их разновидности. Прежде всего это двоичные, деся тичные (декадные), быстродействующие, суммирующие и вычитающие. Напомним еще реверсивные, одноканаль ные, многоканальные и другие счетные устройства. Одна ко это далеко не полный их перечень, который использу ется в практике эксперимента. Рассмотрим структуру унифицированного счетного канала, представленную на рисунке 43, и его основной состав.

Счетный канал такого вида можно использовать в со ставе любого спектрометра на базе той или иной ядерно

Рис. 43

Схема унифицированного счетного канала:

БЗ — биологическая защита; Д — детектор; Дск — дискриминатор; ИИИ — источ ник ионизируюшего излучения; ИП — источник питания; ОсУ — основной уси литель; ПрУ — предусилитель; СНОД — система накопления и сбора данных; Сч — счетчик; Т — таймер.

физической установки (ЯФУ). Более того, данный канал может иметь собственное применение. Наличие изучаемо го ядерно физического процесса на схеме отражено источ ником ионизирующего излучения (ИИИ). Часть измери тельной системы, ее детектор (Д), предусилитель (ПрУ), источники питания (ИП1) и (ИП2), а также ИИИ нахо дятся в измерительном зале ЯФУ. Такой установкой мо жет быть реактор, ускоритель и т. д.

Для снижения воздействия радиации на персонал уста новку окружают биологической защитой (БЗ). Для рабо ты детектора необходим источник питания ИП1, как пра вило, высоковольтный, униполярный и постоянного тока. Величину его выходного напряжения можно регулировать в пределах от 0 до 3000 В, а иногда и выше, до 5000 В. Ее значение нередко задают и устанавливают программным путем.

Другой источник питания ИП2, обычно низковольт ный, связан со схемой ПрУ и обеспечивает ее необходи мыми напряжениями питания. Использование схемы ПрУ вызвано крайне низкими уровнями сигналов детектора. Все они (кроме сцинтилляционного детектора) непосред ственно не могут быть восприняты электронными схема ми и структурами для дальнейшей их обработки и регист рации.

Применение ПрУ улучшает отношение сигнал/шум. Как показывает практика экспериментальных исследова ний, их использование существенно снижает вклад наво док и помех в результаты регистрации. Детектор и основ ная часть измерительной электроники существенно раз несены, и для их связи и передачи сигналов детектора используется кабель.

Его длина может доходить до сотни и более метров. Это специальный высокочастотный коаксиальный кабель, однако в нем происходит ослабление и затухание сигна ла. В таком случае сигналы, поступающие из экспери ментального зала ЯФУ, подаются на основной усилитель (ОсУ). В зависимости от детектора и поставленной задачи измерения в модуле ОсУ выбираются цепи формирования сигналов, задается необходимый коэффициент усиления.

Его сигналы поступают на дискриминатор (Дск). Его схема является эффективным средством в борьбе с шума ми, наводками и помехами. На ее выходе выделяется стан дартный по амплитуде и длительности сигнал, если амп литуда входного импульса превышает уровень дискрими нации. Негативные импульсы (шумы, наводки и т. д.) обычно меньше полезных сигналов, и дискриминация ис ключает их регистрацию.

Сигналы с дискриминатора поступают на счетчик (Сч). Его информационный объем (возможное количество заре гистрированных в счетчике импульсов) должен быть та ким, чтобы в счетном устройстве не возникало перепол нение. Таймер (Т) помогает выбирать и установить необ ходимый объем счетчика Сч. Учитывая интенсивность поступления детекторных сигналов, таймер Т фиксирует длительность цикла счета событий.

По истечении заданного времени таймер Т выдает сиг нал ЗАЯВКА в систему накопления и обработки данных (СНОД), прерывая процесс регистрации. Этим сигналом инициируется передача счетной информации в виде ко да в СНОД. По окончании этого процесса СНОД выдает сигнал ОТВЕТ. В этом случае счетчик Сч сбрасывается, т. е. устанавливается в нулевое состояние, завершая из мерение.

В счетное устройство можно занести новое число и из мерительный процесс может быть продолжен далее путем запуска очередного цикла регистрации. Такая версия функ ционирования счетного канала представляет собой обще принятый вариант его реализации. Интересно отметить тот факт, что число счетных каналов в измерительной си стеме иногда используется в качестве критерия сложно сти экспериментальных исследований.

Более того, данный параметр может служить показа телем эффективности решения экспериментальных задач в целом. В исследованиях по физике ядра средних и низ ких энергий число счетных каналов доходит до десятка и более. В экспериментах по физике высоких энергий этот показатель существенно выше и составляет десятки, а иногда и сотни таких каналов.

9.5.

ЗАДАЧИ И РОЛЬ МОНИТОРНОГО КАНАЛА

Организация и проведение экспериментальных иссле дований в ряде случаев представляет собой весьма слож ную задачу, для решения которой служит измерительная система. В ее структуре обычно предусмотрены средства контроля не только за работой самой системы измерений, но и всей экспериментальной установки. Важная роль в составе таких электронных средств контроля отведена счетным устройствам, которые получили название мони торы или мониторные каналы.

Экспериментальные исследования обычно являются последовательностью различных этапов регистрации дан ных. Техника мониторирования задает и определяет про должительность измерений в виде стадий, этапов или ша гов, т. е. промежутков времени, а также фиксирует их число. Следует заметить, что длительность таких интер валов времени в основном не постоянна и зависит от про водимых исследований.

Эти этапы могут изменяться в процессе измерений по установленному критерию. Данный аспект тоже необхо димо учитывать по ходу эксперимента. В качестве мони торов наряду с основными детекторами нередко применя ются и дополнительные устройства детектирования. Их сигналы используются для контроля параметров экспе риментальной установки.

Такая целенаправленная проверка ее ресурса, иногда непосредственно в ходе эксперимента, необходима для получения надежных результатов измерений. Данную ситуацию можно рассмотреть на примере спектрометра быстрых нейтронов по времени пролета [9]. Нейтроны это го вида получают с помощью ядерной реакции (p, n) или (d, n) на мишени ускорителя, который работает обычно в импульсном режиме.

Мишень (тонкая фольга из исследуемого материала) яв ляется конвертором, где заряженные частицы (протоны или дейтоны) за счет реакции трансформируются в нейтро ны. Их регистрируют основным сцинтилляционным детек тором (ФЭУ 143, стильбен). После мишени на цилиндре

Фарадея, размещенного в конце ионопровода ускоритель ной установки, собирается заряд от поступивших частиц.

Величина заряда измеряется с помощью преобразова теля «ток — частота» (i–f) и также фиксируется монитор ным счетчиком, связанным с этим каналом. Количество нейтронов, возникших на мишени, контролируется все волновым счетчиком в виде относительного числа. Детек тор располагается на расстоянии нескольких метров от мишени перпендикулярно пучку заряженных частиц.

Его основой служит пропорциональный счетчик, за полненный газовой смесью BF3 и окруженный замедлите лем быстрых нейтронов в виде парафина или слоев поли этилена. Это необходимо, поскольку счетчик регистриру ет лишь тепловые нейтроны. Усиленные и отобранные интегральным дискриминатором сигналы всеволнового счетчика регистрируются еще в одном мониторном счет чике.

Наряду со счетными мониторами в спектрометре ис пользуется контрольный временной измерительный ка нал. Его сцинтилляционный детектор (ФЭУ 87 и быстрый пластический сцинтиллятор БП 20), ориентированный на дно цилиндра Фарадея, регистрирует гамма кванты. Опе ративная обработка получаемого временного спектра дает информацию о положении, симметрии и разрешении гам ма пика, которые использовались для контроля работы ускорителя в ходе измерений.

При регистрации параметры постоянно обновляются. Если хотя бы один из параметров выходил за установлен ные пределы, то измерительный процесс прерывали и сле довал запрос к оператору. Учитывая конкретные условия, им принималось решение продолжить или прекратить измерение. Если это был последний шаг в цикле и цикл был заключительным, то измерение в таком случае обыч но продолжали.

Счетную информацию обоих каналов, всеволнового счетчика, преобразователя (i–f) и т. д. регистрируют мно гоканальным счетчиком (8 входов). Управление экспери ментом осуществляется специальным мониторным счет

чиком, который считает импульсы кварцевого генератора. Счетчик задает длительность шага измерения, число ша гов в цикле и число циклов. Это время измерения на од ной мишени, которую автоматически меняют после каж дого цикла.

9.6.

ЖИВОЕ И МЕРТВОЕ ВРЕМЯ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ СОБЫТИЙ

Среди параметров счетных устройств особое место за нимает быстродействие. Это максимальная частота счета сигналов, поступающих на вход, без их просчета. Вместе с тем, быстродействие таких структур еще можно харак теризовать параметром, который называется мертвым вре менем. Мертвое время измерительной системы является временем ее нечувствительности, возникающей при реги страции поступившего сигнала.

Это означает, что любой из поступивших на вход им пульсов в течение мертвого времени не зарегистрируется, а будет проигнорирован или просто просчитан. Необходи мо отметить, что всякое реальное счетное устройство об ладает конечным быстродействием. В силу этого часть из поступивших на его вход сигналов будет просчитана, т. е. попросту утрачена. В таком случае мертвое время являет ся основным параметром счетных структур, который оп ределяет их количество просчетов.

Пусть при счете сигналов процесс регистрации каждо го из них сопровождается мертвым временем, величина которого постоянна и равна tM. Допустим, скорость по ступления сигналов на вход счетного устройства состав ляет N0. В этой ситуации устройство зарегистрирует N импульсов. При этом время нечувствительности счетного устройства будет равно N tМ.

Это приведет к тому, что число утраченных сигналов составит M = N0 N tM. Помимо этого, число потерянных или просчитанных сигналов в такой ситуации будет рав но M = N0 – N. Следовательно, N0 – N = N0 N tМ. Если мертвое время счетчика равно tM и им зарегистрировано

N сигналов, то на его вход поступило число сигналов, равное

N0 = N/(1 – N tМ).

Кроме того, не трудно установить, что если мертвое время tM счетной структуры постоянно, то она зарегист рирует число сигналов, равное

Соотношение (*) показывает, что в случае роста числа входных сигналов N0, будет расти и время нечувствитель ности счетного устройства. При довольно большом числе входных импульсов начнет проявляться эффект «захле бывания» счетчика. При этом устройство будет регистри ровать постоянное число импульсов в единицу времени, равную 1/tМ, даже если на его входе имеет место значи тельный рост числа сигналов.

Рассмотренная разновидность параметра будет отно ситься к варианту мертвого времени непродлевающего типа. Ее нередко называют счетной системой первого рода. В ряде случаев используется другая разновидность счет ной системы, которая получила название структуры вто рого вида или счетной системы продлевающего типа. Име ет смысл обсудить некоторые особенности такой счетной структуры.

Ее суть состоит в том, что любой сигнал, поступивший на вход счетного устройства этого вида, инициирует фик сированную длительность мертвого времени независимо от факта его регистрации. Действительно, сигнал может и не зарегистрироваться, но его наличие на входе будет отмечено фиксированным интервалом времени tM. Если сигнал на входе совпал с длительностью tM от предыдуще го импульса, то ее не совпавшая часть просто продлевает ся на величину tM.

При этом интервалы мертвого времени будут иметь различную длительность. Более того, при значительном росте числа сигналов на входе счетного устройства с вари антом, продлевающимся мертвым временем, оно вообще перестает считать, так как его вход будет заблокирован.

Переполнение счетчика блокирует дальнейшую рабо ту измерительной системы. Характерно, что если не ме нять емкость счетчика, то независимо от мертвого време ни процесс измерения всегда длится одно и то же время. Частота генератора обычно находится в пределах от 50 до 200 Гц. В свою очередь, емкость счетчика живого време ни обычно не превышает 106.

9.7.

УНИФИЦИРОВАННЫЕ МЕТОДИКИ РЕГИСТРАЦИИ СЧЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ

По результатам счета, зафиксированным в ходе изме рений, можно судить о количестве зарегистрированных событий, скорости их поступления, характере изменения интенсивности во времени и т. д. Получаемые данные по могают отслеживать динамику рабочего режима установ ки или его изменения, а также прогнозировать ее состоя ние и поведение. С помощью такой информации можно отслеживать возникновение и развитие внештатных си туаций.

Среди разнообразных вариантов получения счетной информации следует выделить две наиболее масштабные версии, широко применяемые в практике измерений. В од ной из них события фиксируются счетчиком в пределах установленного времени. Промежуток времени обычно задается с помощью таймера. При этом таймерное устрой ство является управляющей структурой по отношению к регистрирующему счетчику.

Спустя заданное время таймер блокирует работу счет чика, прерывая регистрацию поступающих сигналов. За фиксированная счетчиком информация в виде цифрового кода передается для дальнейшей обработки в ЭВМ. Полу ченные результаты выводятся на экран и принимаются к сведению, а также могут быть использованы для воздей ствия на контролируемый объект в целях корректировки режима его работы.

В другой версии реализации счетного метода регистра ция сигналов ведется счетчиком до заданного числа, а тай