Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

ристик люминесценции, диагностики лазерно активных сред, выявлении дефектов в материалах методами позит ронной спектроскопии и т. п.

Характерно, что в последнем случае необходима точ ность измерений в десятки пикосекунд, а измеряемый диапазон интервалов времени обычно не превышает 2–4 десятков наносекунд. Изучение параметров лазерной и электронной техники часто связано с еще большей точно стью, которая доходит до сотых (и менее) долей пикосе кунд. В ядерной физике для измерений в наносекундной области используются быстрые детекторные устройства. Это могут быть полупроводниковые детекторы (ППД), обеспечивающие временное разрешение около 0,1 нс.

Однако они не нашли целенаправленного применения во временном анализе наносекундного диапазона. Весьма реальным сдерживающим фактором для таких детекто ров служит необходимость применения быстрых усили телей и предусилителей, так как величина сигнала с ППД недостаточна для запуска последующих схем временной отметки. Наиболее существенная роль в этой области из мерений принадлежит сцинтилляционным детекторам.

Обычно в их состав входят быстрые пластические или жидкостные сцинтилляторы органического типа с малым временем высвечивания. Вместе с ними используются специальные временные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), параметры которых оптимизированы для времен ных измерений в данном диапазоне. С детекторов этого вида получают сигналы, амплитуда которых достаточна для непосредственного запуска устройств и схем времен ной отметки.

Одной из отличительных особенностей сцинтилляци онных детекторов является их высокое временное разре шение, которое составляет десятые доли наносекунд и выше. Более того, форма сигналов, получаемых от этих детекторов, несет информацию о характере зарегистриро ванного излучения ( частица, нейтрон или квант). Дан ный факт широко используется на практике в спектро метрии быстрых нейтронов по времени пролета для разде ления регистрации нейтронов и гамма квантов.

На временное разрешение сцинтилляционных детек торов влияет целая совокупность факторов. Среди них сле дует отметить передачу энергии регистрируемого излуче ния в интенсивность световой вспышки в сцинтилляторе, конечное время его высвечивания и зависимость его све тового выхода от энергии детектируемого излучения. Ска зываются флуктуации времени сбора света от вспышки на фотокатоде, его эффективность в образовании элект ронов и временной разброс в поступлении их на первый динод.

Необходимо принять во внимание время пролета элек тронов по динодам ФЭУ (~ десятки наносекунд) и его флук туации, а также вклад устройств временной отметки, т. е. фиксации сигнала на временной оси. Наряду с ППД и сцинтилляционными детекторами в наносекундной обла сти используются ФЭУ на основе микроканальных пла стин (МКП). Тонкая пластина из свинцового стекла, обра ботанная по специальной технологии, на площади 1 см2 содержит около 0,5 106 параллельных каналов.

Каждый канал — отверстие 10–100 мкм с длиной участка в 40–100 раз больше, чем диаметр. Итак, кана лом является миниатюрная, тонкая стеклянная трубочка со специально обработанной поверхностью, которая име ет способность «размножать» электроны. В любом ее уча стке, куда попадет электрон, будут высвобождаться вто ричные электроны, также обладающие ионизирующей способностью. Таким образом, внутренние участки такой трубочки, т. е. внутренняя поверхность канала, действу ют как протяженная динодная система.

Перед такой МКП устанавливают фотокатод, который отделяют от нее тонкой алюминиевой фольгой в несколь ко микрометров. Выделяемые под действием излучения электроны с помощью электрического поля направля ются на МКП. Фольга защищает фотокатод от воздействия возникающих на входе МКП положительных ионов. При отсутствии фольги эти ионы вызвали бы разрушение фотокатода. Внешнее электрическое поле, приложенное к МКП, способствует перемещению электронов внутри канала.

После МКП установлен анод, собирающий канальные электроны в виде сигнала, выделяемого на анодной на грузке микроканального умножителя одноступенчатого типа. Коэффициент усиления в таком ФЭУ составляет око ло 104 и ограничен эффектом насыщения. Основное пре имущество ФЭУ на МКП по сравнению с его обычным ва риантом — снижение времени транспортировки элект ронов, которое составляет несколько наносекунд, а его разброс можно уменьшить до 0,1 нс.

Для увеличения коэффициента усиления обычно при меняют двухступенчатый вариант. Две МКП включают последовательно так, чтобы их каналы располагались под углом ~ 10 друг к другу («шевронная» конфигурация), подавляя тем самым ионную обратную связь и доводя уси ление до 107. Для микроканального ФЭУ характерно весь ма высокое временное разрешение, сравнимое, а иногда даже превосходящее лучшие ФЭУ обычной структуры.

Одноэлектронный импульс (с фотокатода получен один электрон) с микроканального ФЭУ имеет фронт ~ 0,35 нс,

адлительность на уровне 0,5 составляет ~ 0,52 нс. Исполь зование временного анализа наносекундного диапазона связано с повышением точности выделения интервалов времени. При такой ситуации точность фиксации сигна лов СТАРТ и СТОП на временной оси должна быть по край ней мере в 2–3 раза выше ширины канала измерителя ин тервалов. Значит, недопустимо использование быстрых дискриминаторов по фронту входного сигнала.

Вместо них следует применять формирователи вре менной отметки по пересечению нуля или быстрые диск риминаторы по постоянной части сигнала. Логический отбор событий в эксперименте необходимо осуществлять с помощью быстрых схем совпадений и антисовпадений,

азадерживать сигналы отрезками коаксиального кабе ля. Для усиления сигналов применяются быстрые уси лители.

Точность измерения интервалов времени устройством кодирования (измеритель длительности интервалов), т. е. его ширина канала, не должна снижать временное разре

шение используемых детекторов. Главным требованием к технике измерений остается ее долговременная стабиль ность. Это важно, так как эксперимент может длиться с небольшими промежутками несколько недель или даже месяцев.

11.8. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ

ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ В НАНОСЕКУНДНОЙ ОБЛАСТИ

Задача косвенных методов измерения наносекундных временных интервалов состоит в повышении точности регистрации их длительности. Поставленная цель дости гается путем замещения измеряемой длительности про порциональным параметром. Это может быть заряд, амп литуда или изменение масштаба времени (расширение длительности) исходного интервала времени. Такие ма нипуляции могут быть осуществлены как аналоговыми, так и цифровыми методами измерений.

Необходимо заметить, что аналоговые методы измере ния длительности наносекундных интервалов получили самое большое распространение. Среди них метод преоб разования «время — амплитуда» (t–А) нашел наиболее широкое практическое применение. В течение длительно сти поступившего интервала времени независимо от вида применяемого накопительного элемента (конденсатор или индуктивность) запасается электрический параметр в виде амплитуды сигнала.

Величина амплитуды определяется временем заряда индуктивности от источника напряжения или зарядом емкости от источника тока. Данный амплитудный пара метр пропорционалендлительностипоступившегоинтервала времени. В качестве накопительного элемента наиболее часто используется конденсатор. Уровень накопленного потенциала на емкости в конце ее заряда, обусловленный входной длительностью, измеряется или обычным амп литудным анализатором, или аналого цифровым преоб разователем в системе накопления и сбора данных.

Среди измерительной техники в любой лаборатории, которая проводит исследования по ядерной физике или просто применяет ядерные технологии и методики изме рений, имеются приборы для амплитудного анализа. В та ком случае, используя измерители типа (t–А), можно орга низовать временной анализ. Это объясняет столь масш табное их распространение.

Преобразователи (t–А) различаются методами выделе ния интервала и замещения его амплитудой, а также со стоянием ключей, порядком их коммутации и размеще нием относительно накопительного элемента. Важное ме сто в составе аналоговых методов косвенного кодирования занимает преобразование «время — амплитуда — время — код» типа (t–А–Т–С).

Суть метода состоит в изменении масштаба времени на одном запоминающем элементе (как правило, конден саторе) и замещении расширенной длительности цифро вым эквивалентом путем преобразования «время — код» (Т–С). Заряд и разряд конденсатора разными токами, при чем Iзар Iраз, приводит к изменению масштаба времени. Коэффициент преобразования k, который будет равен k = = Iзар/Iраз, показывает, во сколько возросла длительность исходного интервала, т. е. Т = kt.

Наносекундные измерители интервалов этого типа раз личаются вариантами построения схем преобразования типа (t–А–Т). Такие схемы называют еще расширителя ми или экспандерами интервалов времени. Они подразде ляются, в свою очередь, на структуры с разнополярными источниками токов заряда и разряда и схемы с однопо лярными токами.

Известны устройства изменения масштаба времени с одним источником тока, которые удваивают длительность интервалов, а каскадируя их, можно тоже расширять ин тервалы времени. Среди косвенных методов измерения интервалов следует выделить внушительную группу, свя занную с верньерным методом измерения. В его основу положена идея сравнения динамики двух процессов.

Они оба связаны либо генерацией импульсов (цифро вая версия), либо изменением потенциала накопительных

элементов (аналоговый вариант). Стартовый сигнал запус кает один процесс, а стоповый другой, динамика которо го быстрее первого. Затем фиксируется или совпадение сигналов, или равенство потенциалов. Цифровая версия иногда называется нониусным методом измерения длитель ности интервалов. Рассмотрим некоторые виды косвенных методов измерения интервалов несколько подробнее.

11.9. ИЗМЕРИТЕЛИ ИНТЕРВАЛОВ

ТИПА «ВРЕМЯ — АМПЛИТУДА» (t–А) И ИХ РАЗНОВИДНОСТИ

Среди аналоговых методов измерения интервалов вре мени наиболее распространенным является метод преоб разования «время — амплитуда» (t–А). В его составе важ ное место принадлежит преобразователям старт стопного типа. В них сигнал СТАРТ запускает триггер (Тр), а сигнал СТОП возвращает его в исходное состояние. Выделенный триггером сигнал своей длительностью замыкает ключ (Кл), заряжая за время t конденсатор С от источника тока (ИТ).

Полученный на емкости С уровень сигнала при необ ходимости усиливается и через буферный каскад (БК) пе редается на амплитудный анализатор. С его помощью из меряется длительность поступившего интервала времени, если была осуществлена предварительная градуировка такого измерительного канала. Структура и временные диаграммы работы преобразователя типа (t–А), представ лены на рисунке 57.

Схема БК (типа повторителя сигнала), выполняя функ цию согласования импедансов в схеме, повышает линей ность преобразования в целом. Она в значительной мере снижает паразитные утечки заряда с конденсатора С, ко торые естественно возрастают при подключении входа амплитудного анализатора или дополнительного усили теля. Наряду с косвенным преобразованием вида (t–А) старт стопного типа следует отметить устройства такого же назначения, работающие по принципу перекрытия, а также по методу стробирования.

СТАРТ и СТОП, выделяется схемой селектора длительно сти интервала (СДИ). Интервал времени t в виде длитель ности сигнала со схемы СДИ замыкает ключ Кл и конден сатор С* заряжается током Iз от генератора тока заряда (ГТЗ). По завершении длительности со схемы СДИ ключ Кл размыкается. Начинается разряд конденсатора С* то ком Iр, величина которого определяется генератором тока разряда (ГТР).

Начало заряда конденсатора С* и окончание его разря да фиксируется пороговым уровнем Uп, который задается с помощью порогового элемента (ПЭ). На его выходе вы деляется расширенный интервал времени Т, который пе редается на схему ПВК, трансформирующую длительность этого интервала в цифровой код. Минимальная ширина канала (точность измерения) преобразователя такого типа будет равна = Т0/k, где Т0 — период следования импульсов таймерной серии в ПВК.

Важно подчеркнуть, что это наиболее распространен ный вариант измерителя интервалов времени наносекунд ного диапазона. В нем реализуется аналоговый принцип изменения масштаба времени. Трансформация исходной длительности интервала осуществляется на одном запо минающем элементе (конденсаторе С) посредством исполь зования двух разнополярных источников тока.

Поскольку схема ГТР подключена к накопительному конденсатору С постоянно, то его заряд осуществляется током Iз–Iр. Следовательно, коэффициент трансформа ции k* в таком случае будет равен

k* = (Iз – Iр)/Iр = (Iз/Iр) – 1 = k – 1.

Необходимо заметить, что это не принципиально, так как величина коэффициента трансформации обычно со ставляет несколько сотен, а иногда доходит до несколь ких тысяч и более.

Используя эталонные интервалы времени (кабельные задержки, период следования генераторов с кварцевой стабилизацией), можно весьма точно настроить коэффи циент трансформации, регулируя, например, ток разряда в схеме ГТР. Известны другие структуры и методы изме