Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Рис. 54

Обобщенная структура основных методов измерения длительности интервалов (МИДИ) времени

ром, который определяет точность измерения интервала. Для измерения времени жизни возбужденного состояния ядер необходима ширина канала порядка 10–11 с, а иногда

именее.

Всвою очередь, для измерения параметров кривых распада нередко используется ширина канала от несколь ких десятков до сотен секунд. Не вызывает сомнений факт, что охватить такой диапазон изменения и задания шири ны канала одним устройством просто нереально. Для каж дой измерительной задачи при временном анализе необ ходимо выбрать устройство кодирования интервалов вре мени, которое обладает оптимальной величиной ширины канала.

Следует заметить, что выбор измерителя в ряде слу чаев представляет собой весьма непростую задачу. Дей ствительно, почти всегда приходится искать и находить компромисс между уровнем точности измерений и техни ческими, а также функциональными возможностями из мерителя. Значимым фактором, который необходимо бу дет учитывать, является его стоимость. Она, как не трудно понять, будет расти как при увеличении его возможно стей, так и при повышении точности измерений. Необхо димо еще предусмотреть и перспективы дальнейшего ис пользования такой техники.

Наиболее широкое применение среди методов прямо го кодирования интервалов времени получил метод по следовательного счета, который известен еще как счетно импульсный, электронно счетный, время импульсный, а также как метод прямого счета. Суть метода последова

тельного счета, а именно так будем называть его в даль нейшем, состоит в том, что в течение длительности изме ряемого интервала двоичным счетчиком подсчитывается число импульсов высокостабильного генератора таймер ной серии.

Таким образом, в счетчике будет зафиксирован циф ровой эквивалент длительности интервала времени в виде двоичного кода, который может быть использован всеми средствами цифровой измерительной и вычислительной техники. Ширина канала , т. е. точность измерения, оп ределяется периодом Т следования импульсов генератора таймерной серии. Если частота этого генератора равна f, то минимальная ширина канала измерителя будет равна= T = 1/f.

Очевидно, что параметры измерителя длительности ин тервалов этого типа зависят в основном от характеристик генератора. Использование в его составе кварцевых резо наторов обеспечивает ему стабильность 10–6–10–7. В таком случае измеритель интервалов времени может иметь чис ло каналов от 105 до 106, при достаточно высокой их иден тичности, т. е. с малой дифференциальной нелинейностью.

В составе измерителя двоичный счетчик, осуществляя пересчет выделенных импульсов генератора таймерной серии, в значительной мере определяет его параметры. Такой счетчик обычно называется адресным счетчиком. Его быстродействие зависит от первых триггеров. Именно они определяют и ограничивают предельную частоту сле дования импульсов генератора таймерной серии.

Если адресный счетчик выполнен на интегральных схемах типа ЭСЛ (эмиттерно связанной логики), то его рабочая частота составляет 400 МГц. В такой ситуации для измерителя интервалов будет обеспечена ширина канала 2,5 нс. Более высокими счетными характеристиками (до 2,4 ГГц и выше) обладают счетные устройства, выполнен ные на интегральных схемах на основе арсенида галлия.

Представленная структуризация способов измерения интервалов времени достаточно масштабно используется в электронных методах ядерно физического эксперимен та. В настоящее время достижения интегральной элект

роники все более настойчиво «размывают» границы меж ду техническими средствами измерения интервалов вре мени микросекундного и наносекундного диапазонов.

Такие успехи содействуют повышению точности изме рений, а также создают условия для появления универ сальной техники. С ее помощью весьма эффективно реги стрируют длительности интервалов в обоих диапазонах. Положительным моментом для измерителей интервалов времени, работающих в режиме последовательного счета, считается сравнительно простое изменение ширины ка нала.

Данный параметр обычно модифицируется ступенями, изменяясь кратно 2n, где n — число разрядов счетчика. Первые его триггеры при этом выполняют функцию дели теля частоты основного генератора серии. Более того, в процессе измерения в таких устройствах кодирования до вольно просто вводить начальные задержки, осуществлять выбор участка спектра и менять ширину канала программ ным путем.

11.5. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

Одной из основных задач временного анализа является измерение длительности интервалов времени, заключен ных между сигналами СТАРТ и СТОП. Характер поступ ления этих сигналов, задающих границы измеряемого интервала, естественно, связан с методическими аспекта ми временного анализа как для микро , так и для наносе кундного диапазонов. Немаловажным фактором становит ся специфика поступления этих сигналов на вход измери теля интервалов времени.

Рассмотрим наиболее характерные варианты взаимо связи между стартовыми и стоповыми сигналами при вре менном анализе микросекундного диапазона. В классиче ской версии унифицированного варианта временного ана лиза, что было отмечено ранее, каждому сигналу СТАРТ

обычно соответствует сигнал СТОП (см. рис. 51). Регистра ции не произойдет, если для поступившего сигнала СТАРТ не будет сигнала СТОП.

В данной версии временного анализа (один СТАРТ и один СТОП) независимо от природы их возникновения стартовый сигнал всегда будет связан с первым из посту пивших сигналов СТОП. Все последующие из этих стопо вых сигналов будут, естественно, проигнорированы. Ха рактерной чертой данного вида временного анализа при нято считать его относительно простую реализацию.

Кроме того, это один из наиболее распространенных вариантов анализа в практике временных измерений. Его применяют при всех разновидностях поступления старто вых и стоповых сигналов. Это могут быть случайные сиг налы на обоих входах измерителя длительности интерва лов времени. Возможны также и другие варианты, когда на один из входов поступают нерегулярные сигналы, а на другой приходит их периодическая последовательность.

Важное место в составе временного анализа микросе кундного диапазона занимает еще одна его версия, извест ная как многостоповый режим регистрации интервалов времени. В этом случае выделяются и кодируются длитель ности интервалов времени, связанные с сигналом СТАРТ и совокупностью сигналов СТОП. Число последних может доходить до нескольких десятков, так как теоретически никаких ограничений нет.

Не вызывает сомнений тот факт, что реализация дан ного метода измерений потребует специальной техники измерения интервалов. Для кодирования интервалов преж де всего необходим тот или иной вариант многостопного измерителя интервалов времени. Данный вид измерений распределений интервалов времени имеет существенные преимущества по сравнению с классической разновидно стью временного анализа.

Для «классики» характерен одностопный режим ре гистрации. При многостоповом временном анализе суще ственно возрастают его функциональные возможности. Более того, в значительной мере расширяется диапазон измерений при единовременном увеличении точности

регистрации. В конечном счете реально увеличиваются объемы измерительной информации. В значительной мере возрастают ее уровень и качество, открывая новые перс пективы и варианты для интерпретации получаемых ре зультатов измерений.

Существуют различные версии кодирования интерва лов времени при многостоповом временном анализе. Ха рактерно, что базовыми устройствами такого вида служат технические средства, использующие методы прямого кодирования в форме последовательного счета. Понятно, что сложность этих устройств в значительной мере увели чилась за счет применения дополнительных технических решений.

Электронные средства данного вида пополнились мо дифицированными адресными счетчиками, устройствами быстрой промежуточной памяти. Усложнилась логика и управление передачей кода из адресного счетчика в про межуточную память. Такую процедуру необходимо выпол нять всякий раз при поступлении на вход измерителя оче редного сигнала СТОП. После этого в адресном счетчике, который работает без сброса, надо корректно модифици ровать код. Существует ряд других тонкостей, что необ ходимо также учитывать.

Многостопный режим регистрации событий наиболее часто используется при спектрометрии нейтронов низких и средних энергий методом времени пролета. Пролетная база, в конце которой происходит регистрация нейтронов, доходит до нескольких сот метров. Измеряются интерва лы времени относительно общего начала временной шка лы, которое задается сигналом СТАРТ, а длительности интервалов времени последовательно фиксируются стопо выми сигналами.

Наиболее характерным вариантом измерений при мно гостоповой регистрации является импульсный режим ра боты нейтронного источника. Наряду с традиционными многостопными измерениями существует циклично кон вейерный метод измерения и регистрации временных па раметров событий в виде промежутков времени.

Данный метод в большинстве случаев предназначен для многостопового временного анализа микросекундно го диапазона. Его суть состоит в том, что в последователь ности стоповых сигналов каждый из них выполняет двой ную функцию, т. е. имеет место бифункциональное ис пользование каждого из этих сигналов. Сначала сигнал СТОП традиционно фиксирует окончание длительности интервала времени, а затем становится стартовым сигна лом для нового интервала.

Длительность такого интервала будет уже определять очередной сигнал СТОП. В этом заключается идея бифунк ционального использования стоповых сигналов в циклич но конвейерном методе измерения интервалов. Суммируя последовательно коды зарегистрированных интервалов, получают информацию в цифровом виде для всех проме жутков времени, длительность которых заключена меж ду сигналом СТАРТ и последующими сигналами СТОП.

Завершая рассмотрение методических аспектов вре менного анализа микросекундного диапазона, отметим еще один момент в этих измерениях. Он заключается в том, что природа появления сигналов СТАРТ и СТОП обычно взаимосвязана. Для эксперимента данный аспект подчеркивается тем, что исследования проводятся в усло виях, когда появление одного из них связано с возникно вением другого. Взаимосвязь характерна для всех видов временного анализа, включая наносекундный диапазон.

11.6.

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

В основу измерения интервалов времени микросекун дного диапазона положен метод прямого кодирования, известный как метод последовательного счета. Длитель ность интервала, заключенная между сигналами СТАРТ и СТОП, заполняется импульсами от генератора таймер ной серии. При этом выделенная серия импульсов явля ется последовательным кодом измеряемого интервала.

Импульсы поступают на двоичный счетчик, где фик сируется их число, образуя двоичный код этого интервала. В измерителе интервалов времени, работающем по мето ду прямого счета, минимальная ширина канала опреде ляется периодом следования импульсов Т0 генератора тай мерной серии. Если длительность поступившего интерва ла времени равна tизм, то в счетчике зафиксируется N

импульсов, т. е. N = tизм/T0.

Диапазон измерений Dизм входных длительностей зави сит от числа разрядов двоичного счетчика m или числа ка налов M = 2m измерителя. В таком случае максимальный

диапазон измеряемых интервалов будет равен Dизм,max = = T0 M. Число каналов измерителя временных интерва

лов или времяцифрового преобразователя может менять ся от нескольких сот до нескольких десятков, а иногда и сотен тысяч.

Практика измерений показывает, что наибольшее чис ло каналов требуется при измерении энергетических спек тров нейтронов низких и средних энергий методом време ни пролета. В таких измерениях охватывается довольно значительный диапазон энергий нейтральных частиц (теп ловых и надтепловых нейтронов). Принято считать, что их энергия находится в пределах от 0,01 эВ до 1,0 кэВ.

Для нейтронов в этой области энергий нередко харак терны достаточно узкие резонансные линии. Следует за метить, что к их параметрам ученые проявляют особый интерес. Учитывая, что диапазон энергий резонансов весь ма узкий, для их регистрации необходимо иметь более вы сокую точность измерений. Следовательно, требуется реги страция с достаточно малой шириной канала измерителя.

Временные измерители такого типа имеют две основ ные разновидности. Они отличаются схемами воспроиз водства цифрового эквивалента интервала времени, т. е. генераторами таймерной серии. Одни из генераторов мо гут работать в ждущем режиме, а другие функционируют в непрерывном режиме. Ждущий генератор запускается только лишь при поступлении сигнала СТАРТ.

Появление импульсов таймерной серии, т. е. их фаза, будет жестко привязано к стартовому сигналу. Поступле

Рис. 55

Структура (а) и временные диаграммы (б) работы измерителя интервалов времени с синхронной серией:

ЖГ — ждущий генератор; СДИ — селектор длительности интервала; СТ2 — дво ичный счетчик.

ние сигнала СТОП прерывает работу такого генератора, прекращая генерацию сигналов таймерной серии. Время цифровой преобразователь такого вида получил название измерителя интервалов с синхронной серией (рис. 55а). Основой ждущих генераторов служат схемы с контуром ударного возбуждения или схемы с задержанной обрат ной связью.

Погрешность t определения величины цифрового эк вивалента N длительности измеряемого интервала време ни tизм не превышает периода Т0 следования импульсов такого генератора, т. е.

tизм = N T0 + t, 0 t T0.

Временные соотношения между основными сигнала ми для времяцифрового преобразователя с синхронной серией представлены на рисунке 55б.

Как показывает практика измерений, ждущие гене раторы не в состоянии обеспечить высокую стабильность частоты повторения сигналов (~ 5 10–4). В таком случае число каналов в измерителе обычно не превышает несколь ко сотен. Характерно, что процесс выхода такого генера тора на стационарный режим работы приводит главным образом к увеличению интегральной нелинейности само го измерителя интервалов.

Эти простые по технике исполнения времяцифровые преобразователи такого вида используются в измерениях, где не требуется высокая точность кодирования. Число

каналов в таких устройствах обычно меньше 1000. Дру гой разновидностью измерителей интервалов времени, функционирующих на основе последовательного счета, являются преобразователи с идущими генераторами тай мерной серии.

Структура и временные соотношения между сигнала ми времяцифрового преобразователя с несинхронной се рией, т. е. с непрерывно идущим генератором, приведены на рисунке 56. В состав таких измерителей обычно вхо дят высокостабильные генераторы (~ 1 10–6) с кварцевым резонатором. Они функционируют в непрерывном режи ме. Если конструкция такого генератора будет термоста тирована, то его стабильность в значительной мере возра стает, вплоть до 1 10–8.

Погрешность t измерения длительности интервала tизм связана с неопределенностью появления сигналов СТАРТ и СТОП ( t1 и t2 — соответственно) относительно перио да Т0 генератора таймерной серии. Ее величина может до ходить почти 2Т0. Действительно, величина поступившей длительности tизм будет определяться соотношением

tизм = t1 + NT0 + t2,

где 0 t1 T0 и 0 t2 T0 (см. рис. 56б).

Интервал времени tизм, заключенный между сигнала ми СТАРТ и СТОП, выделяется схемой селектора длитель ности интервала (СДИ). При наличии длительности tизм

Рис. 56

Структура измерителя интервалов времени с несинхронной серией

ивременные диаграммы его работы:

Г— генератор таймерной серии; Кл — ключ; СДИ — селектор длительности ин тервала; СТ2 — двоичный счетчик.

схема ключа (Кл) пропускает сигналы генератора (Г) на двоичный счетчик СТ2. На выходе схемы Кл выделяется серия импульсов генератора Г, пропорциональная посту пившему измеряемому интервалу.

Ее регистрирует двоичный счетчик СТ2, который по окончании входной длительности фиксирует величину интервала времени в виде кода. На временных диаграм мах (см. рис. 56б) отмечены особенности измерения дли тельности временного интервала времяцифровым преоб разователем типа «время — код» (t–С) с несинхронной се рией. Измерители этого типа называются еще временными кодировщиками.

Использование в схеме генератора таймерной серии кварцевого резонатора обеспечивает высокую стабиль ность и однородность генерируемых импульсов. В силу этого число каналов в таких кодирующих устройствах может доходить до нескольких сотен тысяч при весьма малой дифференциальной нелинейности (0,5% и менее). В устройствах этого типа достаточно просто управлять точ ностью измерений, меняя ширину канала непосредствен но в ходе измерений по заданной программе.

11.7.

НАНОСЕКУНДНЫЙ ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ

ИЕГО ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

Вряде направлений ядерной физики и смежных с нею областях методики экспериментальных исследований ос нованы на измерении коротких интервалов времени. Для измерения времени жизни возбужденных атомов и ядер ных состояний, регистрации времени пролета быстрых нейтронов, идентификации частиц и осколков деления

ит. д. необходима точность измерений до нескольких де сятых долей наносекунд и менее.

При этом диапазон измерений интервалов времени ле жит в пределах от десятков наносекунд до нескольких микросекунд. Еще более высокая точность измерений тре буется при изучении спектрально кинетических характе