Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

каналов, а также ряда других технических деталей, на пример электронной техники и средств контроля стабиль ности работы тракта, представленная информация рас крывает основные аспекты и суть амплитудного анализа.

10.3.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА

Важная роль в изучении характера и природы ядер ных взаимодействий принадлежит спектрометрическим установкам или спектрометрам. Спектрометр — специа лизированная установка, состоящая из источника излу чения, детектора и измерительного тракта, разработанная и организованная для изучения параметров самого источ ника излучения или ядерных превращений, вызванных им. В составе спектрометра нередко присутствуют несколько источников излучения и ряд детекторов.

Измерительный тракт спектрометра — целевая сово купность средств электронной техники, развернутая для выделения, сбора и накопления данных о параметрах изу чаемых ядерных процессов, посредством линейных и не линейных методов обработки детекторных сигналов. Рас смотрим базовые параметры измерительного тракта, пред назначенного для проведения амплитудного анализа.

Амплитуда поступающих сигналов связана с энер гией, которую частица потеряла в детекторе. Размеры де тектора должны обеспечить полную утрату этой энергии. Энергетический диапазон Еd регистрируемых частиц бу дет равен Ed = Emax – Emin. Максимальному значению ут раченной энергии Еmax соответствует такое же значение амплитуды сигнала Аmax и наоборот. Минимальному зна чению амплитуды Аmin соответствует энергия Еmin. Эта ве личина энергии называется также порогом регистрации.

Распределение амплитуд сигналов измеряется с по мощью аналого цифрового преобразователя (АЦП). Это устройство трансформирует аналоговый сигнал в цифро вой код. Величина кода определяется разрядностью АЦП

и обычно составляет 6–12 двоичных разрядов. Для пре цизионных измерений (регистрация с высокой точностью) число разрядов может доходить до 13–15 разрядов.

В таком случае, амплитуда сигнала Аmax при минималь ной разрядности АЦП будет разделена на 64 (26) части, а при максимальной — на 4096 (212) частей, т. е. каналов. Наряду с энергетическим диапазоном Еd измерительный тракт спектрометра допускается характеризовать макси мальным числом каналов М, т. е. (64 М 4096). Диа пазон изменения амплитуд входных сигналов составляет 0–5 или 0–10 В.

При этом можно говорить о шаге квантования, кото рый в данном случае называется шириной канала h. Ее величина, равная h = Amax/M, составляет десятки, едини цы и даже сотые доли милливольта. Последние данные о ширине канала характерны для прецизионного амплитуд ного анализа. Его используют для точного определения изотопного состава технологических смесей на АЭС или обогатительных фабриках, а также на ряде других уста новок, связанных, например, с производством изотопов.

Ширину канала можно выразить в энергетических еди ницах, т. е. электронвольтах (эВ). Для этого шкалу спект рометра градуируют с помощью образцовых спектромет рических источников гамма квантов (ОСГИ). Набор источ ников (обычно 11 изотопов) охватывает диапазон энергий от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлек тронвольт. Каждый имеет одно или несколько значений моноэнергетических гамма квантов. В спектре они дают характерные пики. Разность энергии между ними, делен ная на число каналов, разделяющих их, дает ширину ка нала измерительного тракта в единицах энергии (эВ).

Важной характеристикой спектрометрического трак та является его разрешение. Это минимальное расстояние между пиками в спектре, когда их можно идентифициро вать как раздельные. Получить такую ситуацию в реаль ных измерениях достаточно сложно. В силу этого на прак тике разрешение определяется в единицах энергии (эВ) по параметрам зарегистрированного пика моноэнергети ческих гамма квантов Е0. При этом разрешение опреде

ляют как ширину пика на его полувысоте, т. е. Е0. При нято считать, что для определения данного параметра вы ше полувысоты пика должно находиться не менее 5–7 ка налов.

В практике измерений разрешение представляется в виде параметра ПШПВ (полная ширина на полувысоте). Наряду с таким представлением разрешения (в единицах энергии) часто таким параметром служит его безразмер ная величина . Это уже относительное разрешение, ко торое определяется отношением, т. е. = E0/E0. Обычно оно выражается в процентах и при этом его величина рав на = ( E0/E0) 100%. Итак, чем меньше величина отно сительного разрешения , тем более тонкие детали спект ра можно выделить данным спектрометром.

Характеристику преобразования основного канала из мерительного тракта, который является линейной струк турой, можно представить в виде

E* = a0 + h M,

где Е* — энергия моноэнергетического гамма кванта; М — номер канала его регистрации; h — ширина канала; а0 — порог регистрации АЦП. Характеристику можно полу чить с помощью ОСГИ при градуировке шкалы спектро метра. По большей части она представляет собой прямую линию.

Ее отклонение от прямой линии связывается с важной характеристикой тракта, которая получила название ин тегральная нелинейность (ИНЛ). Параметр KИНЛ опреде ляется как отношение максимального отклонения реаль ной характеристики преобразования от ее идеального вида (прямая линия) к максимальному значению измеряемого параметра:

Kинл = [|A(M) – Aид(M)|max/Amax] 100%,

где А(М) — значение реального параметра (амплитуда), попавшего в М й канал; Аид(М) — значение идеального параметра (амплитуда) соответствующее М му каналу; Аmax — максимальное значение измеряемого параметра.

Интегральная нелинейность спектрометрического трак та не превышает сотых долей процента во всем диапазоне изменения параметра. Она влияет на точность линейного преобразования «аналог — код» и характеризует погреш ность энергетической шкалы спектрометра при амплитуд ном анализе. Для измерения ИНЛ применяются генера торы белого спектра. Специализированное электронное средство генерирующее сигналы, амплитуда которых плав но изменяется от минимума до максимума значения.

Другой, не менее важной характеристикой спектромет ров является их дифференциальная нелинейность (ДНЛ). Данный параметр Kднл связан с неоднородностью ширины канала. Ее величина определяется как максимальное от носительное отклонение ширины канала h от среднего от ее значения h :

Kднл 2 hi 1 h ,

h

где hi — ширина i го канала; h — усредненная по всей шкале ширина канала.

Величину ДНЛ выражают в процентах через соотно шение

нее число отсчетов по всем М каналам «белого» спектра. Для определения величины ДНЛ необходимо зареги стрировать спектр равновероятного распределения амп литуд. Их получают с помощью упомянутого генератора «белого» спектра. Зарегистрированный спектр позволяет

определить как Kинл, так и Kднл. Величина ИНЛ лежит в пределах 0,02% Kинл 0,2%. Величина Kднл, т. е. после

днего параметра, находится в пределах 0,5% Kднл 2%. Достижение минимального значения параметра Kднл для

разработчиков электронных средств данного направления представляет весьма существенную проблему.

Для измерительного тракта характерна максимально допустимая загрузка, когда искажения результата изме рений не превышают заданного предела. При высокой интенсивности входных сигналов они проявляются в виде смещения пиков. На конце спектра этот сдвиг не должен превышать одного канала относительно нормальной за грузки в единицу времени.

Важным параметром амплитудного тракта служит бы стродействие, которое связанно с мертвым временем. Это время обработки в АЦП предыдущего сигнала, когда по следующие сигналы не воспринимаются. Оно бывает раз ного вида: постоянное, переменное, продлевающего и не продлевающего типа, экспоненциальное по форме и т. д. Величина мертвого времени может изменяться от десят ков и менее наносекунд до сотен микросекунд и зависит главным образом от вида АЦП.

Долговременная стабильность измерительного тракта спектрометра относится к категории его основных пара метров. Она определяется временем непрерывной работы, когда изменение параметра не превышает заданных пре делов. О стабильности судят по пику, обычно находяще муся в конце регистрируемого спектра. Его смещение не должно превышать ширины канала. Этот параметр рег ламентируется для 8 ч непрерывной работы, изменения температуры окружающей среды от 20 до 30 С и питания сети 10%.

10.4. АНАЛОГО ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ТИПА «АМПЛИТУДА — ВРЕМЯ — КОД» (А–Т–С)

Аналого цифровое преобразование относится к одно му из основных этапов амплитудного анализа. Данный ва риант преобразования определяет целый ряд весьма суще ственных параметров: линейность (интегральную и диф ференциальную), точность измерения (ширину канала), ее стабильность и т. д. Хотя в основу аналого цифрового

преобразования положен целый ряд способов его реализа ции, но особое место среди них занимает метод «амплиту да — время — код» (А–Т–С).

Для такого преобразования характерны две основопо лагающие стадии: сначала «амплитуда — время» (А–Т), а затем «время — код» (Т–С). Реально эти стадии в процес се преобразования совмещены, но их обособление позво ляет четко представить замену непрерывного аналогового сигнала его дискретным эквивалентом, т. е. кодовой ве личиной.

В основу работы устройств типа А–Т–С положена идея трансформации амплитуды сигнала сначала в длитель ность, а затем в цифровой код путем заполнения ее им пульсами стабильной частоты. Данная версия кодирова ния, для которой характерны отменная линейность (ИНЛ и ДНЛ) и высокая точность измерений, известна еще как вилкинсоновский метод. Его реализацию и основные эта пы преобразования рассмотрим на базе одного из вариан тов АЦП, представленного на рисунке 46.

На входе АЦП включено устройство отбора сигналов. Оно содержит линейную схему пропускания (ЛСП), уп равляемую дискриминатором нижнего уровня (ДНУ). Из меняя уровень дискриминации, исключают поступление сигналов малых амплитуд (шумы, наводки и т. д.) на этап преобразования А–Т. В исходном состоянии ЛСП закрыта, изолируя зарядно разрядное устройство, т. е. схему А–Т, от некорректных входных сигналов.

Рис. 46

Схема АЦП типа A–T–C:

A–T — преобразователь «амплитуда — время»; ДНУ — дискриминатор нижнего уровня; ЛСП — линейная схема пропускания; ЛУ — логика управления; СНОД — система накопления и обработки данных; Ст2 — адресный счетчик; T–N — пре образователь «время — число импульсов»; ЭЗ — элемент задержки.

Схема линейного элемента задержки (ЭЗ) создает не обходимые временные соотношения между сигналами на входах ЛСП. Она пропускает аналоговые сигналы только при наличии логического сигнала на управляющем входе ЛСП. Этот сигнал должен поступить раньше сигнала на ее аналоговом входе. Такие условия обеспечиваются схе мой ЭЗ. Это, как правило, искусственная линия задерж ки с сосредоточенными параметрами величиной от 0,2 до 1,0 мкс.

Всхему отбора сигналов может входить еще дискри минатор верхнего уровня и логическая схема (на рисун ке 46 они не показаны). Такое устройство блокирует по ступление на ЛСП логического сигнала управления при срабатывании обоих дискриминаторов (нижнего и верх него уровня). Данную функцию может выполнить диффе ренциальный дискриминатор. Таким образом запрещает ся передача на схему А–Т сигналов экстремальной вели чины, нарушающих ее функционирование.

Схема А–Т в составе АЦП преобразует амплитуду А входного сигнала в длительность Т. Между величиной обоих параметров имеет место прямо пропорциональная зависимость во всем диапазоне изменения амплитуд. Та кой вид трансформации обычно осуществляется с помо щью емкостного элемента. Сначала конденсатор заряжа ется до амплитудного значения А, а затем его медленно разряжают. Время разряда, выделенное в виде длитель ности Т, является эквивалентом амплитуды поступивше го сигнала.

Впреобразователе Т–N происходит замещение дли тельности Т числом импульсов N. Их количество, пропор циональное величине Т, поступает на двоичный счетчик Ст2, именуемый еще адресным счетчиком. Его код по сиг налу ЗАЯВКА передается в систему накопления и обра ботки данных СНОД. Схемы логики управления (ЛУ) фор мируют сигналы, обеспечивающие функционирование модуля АЦП в целом. Принимая во внимание значимость аналого цифрового преобразования методом А–Т–С для амплитудного анализа, рассмотрим более подробно основ ные этапы и схемы его реализации.

Длительность временного интервала Т, пропорцио нальная амплитуде входного сигнала А, определяется со отношением

T = A C/Ip,

где С — емкость конденсатора; Ip — ток его разряда. Из выражения видно, что время разряда конденсатора (т. е. длительность Т интервала времени) определяется лишь величиной тока Ip его разряда. Значение этого тока зада ется схемой ГТР. Стабильность тока разряда является крайне важным параметром, поскольку его флуктуации ведут к нарушению пропорциональности преобразования, а значит, к снижению точности измерения.

Начало разряда накопительного конденсатора обычно увязывают с управляющим сигналом УПР, который сфа зирован с импульсами генератора таймерной серии (ГТС) устройства Т–N. Это в значительной мере снижает циф ровую составляющую дифференциальной нелинейности АЦП типа «чет — нечет». Время разряда конденсатора фиксируется схемой выделения длительности (СВД), за вершая процесс преобразования типа А–Т.

Итак, рассмотрен стандартный вариант схемы заряд но разрядного устройства (преобразование А–Т). Для по вышения линейности преобразования, т. е. снижения ин тегральной нелинейности ЗРУ, схема управления зарядом нередко охватывается отрицательной обратной связью. Ее берут с выхода схемы согласования импедансов, включен ной на входе СВД (на рис. 47 это не показано). Следует отметить особую ценность такой связи, так как погреш ность в измерении энергии излучения не может быть мень ше величины ИНЛ самого модуля АЦП.

10.6.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИНТЕРВАЛА В ЦИФРОВОЙ КОД (Т–С)

Это преобразование является заключительной стадией процесса кодирования в методе измерения А–Т–С. Особое место на этом этапе преобразования занимает устройство трансформации длительности интервала времени Т в число