Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

нения масштаба времени. В одном из них используется идея заряда конденсатора за временной интервал одним током, а затем его дозаряд, но меньшим током.

В другом методе применяется один источника тока для заряда конденсатора, а затем перезаряда его тем же током. Известен способ использования одного источника тока и двух конденсаторов разной величины, заряжаемых пооче редно, и сравнения их потенциалов и т. д. Все эти матери алы можно найти в оригинальных статьях и специальных обзорах журналов, связанных с данной тематикой.

11.11.

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ИНТЕРВАЛОВ НОНИУСНОГО ТИПА

Большую группу в составе косвенных методов измере ния интервалов наносекундного диапазона составляют устройства, использующие верньерный метод кодирова ния. Рассмотрим лишь те их них, в основу которых поло жены цифровые методы изменения масштаба времени. Заметим, что верньер в измерительной технике то же са мое, что и нониус, когда дополнительная шкала измери тельного инструмента, например в штангенциркуле, по вышает точность измерения в 10 или 20 раз.

Идея измерения состоит в сравнении динамики двух процессов, генерирующих последовательности импульсов, периоды которых незначительно отличаются друг от дру га. Стартовый сигнал запускает один процесс, а стоповый инициирует другой, динамика которого идет быстрее пер вого. В таком случае период повторения импульсов T0**, обусловленных сигналом СТОП, меньше периода повто рения импульсов T0*, связанных с сигналом СТАРТ, т. е. T0* 1 T0**. Измерение завершается при совпадении сигналов обеих последовательностей.

Структурная схема измерителя наносекундных интер валов времени верньерного типа вместе с временными ди аграммами его работы приведена на рисунке 61. Устрой ство селекции сигналов (УСС) выделяет сигналы СТАРТ и СТОП. Стартовый сигнал переводит в рабочее состояние

Рис. 61

Структурная схема измерителя наносекундных интервалов времени верньерного типа (а) и временные диаграммы (б) его работы:

Кл — ключ; СС — схема совпадений; СТ2 — двоичный счетчик; Тр — триггер; УРС — устройство регенарации сигналов; УСС — устройство селекции сигналов.

первое устройство регенерации сигналов (УРС1) и взводит триггер (Тр). Его уровень открывает клапан (Кл) для про хождения импульсов со схемы УРС1 на двоичный адрес ный счетчик СТ2.

Выделенный схемой УСС стоповый сигнал инициирует работу другого устройства регенерации сигналов УРС2. Импульсы обоих устройств регенерации поступают на вхо ды схемы совпадений (СС). Ее выходной сигнал, фиксирую щий момент совпадения импульсов на ее входах, возвра щает триггер Тр в исходное состояние. Вследствие этого работа обоих устройств регенерации прекращается, а код интервала времени, зафиксированный в адресном счетчике СТ2, передается в систему накопления и обработки данных.

Ширина канала в этом случае определяется не перио дом генератора опорной серии, в качестве которого могли бы служить сигналы УРС1 или УРС2. Она задается разно стью периодов следования сигналов регенерации, а под считывая импульсы одного из них (УРС1 или УРС2), лишь фиксируют этот факт. При этом точность измерения, т. е. ширина канала измерителя, будет равна

1 2 T0* 3 T0**,

где T0* иT0** — периоды повторения сигналов в устрой ствах регенерации (УРС1 и УРС2).

В качестве структур регенерации сигналов можно ис пользовать генераторы ударного возбуждения или струк туры с задержанной обратной связью. Стабильность

частоты следования импульсов обоих регенераторов долж на быть достаточно высокой, чтобы обеспечить необходи мую точность и стабильность ширины канала временного измерителя. В представленном варианте функционирова ния измерителя величина измеряемого интервала t долж на быть меньше длительности периода T0* следования им пульсов в схеме УРС1, т. е. t 1 T0*.

Следовательно, число, которое зафиксируется в ад ресном счетчике СТ2 при поступлении входного интерва ла времени t, заключенного между сигналами СТАРТ и СТОП, будет равно n = t/ . Однако если t 1T0*, то потре буется более сложная структура устройства для измере ния и регистрации интервалов времени. Измерители та кого вида получили название «цифровые интерполяцион ные измерители временных интервалов».

11.12. ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ

НАНОСЕКУНДНЫХ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

В практике экспериментальных исследований суще ствует целый ряд прикладных задач, для решения кото рых необходимы прецизионные измерения интервалов значительной длительности. Для таких целей широко применяются интерполяционные измерители интервалов времени. Они позволяют осуществлять регистрацию дли тельностей нередко более десятка микросекунд с наносе кундной точностью, а иногда и выше.

Техника такого назначения создается на базе времяциф рового преобразователя последовательного счета с несин хронной серией, т. е. когда генератор опорной таймерной серии функционирует в непрерывном режиме. В измери тель этого вида вводятся интерполяторы, дающие кодо вую информацию о моменте появления сигналов СТАРТ и СТОП относительно периода опорной серии. Структура устройства такого вида и временные диаграммы его рабо ты даны на рисунке 62.

Измеряемый интервал времени t, заключенный меж ду сигналами СТАРТ и СТОП, выделенный схемой селек

Рис. 62

Структура интерполяционного измерителя интервалов и временные диаграммы его работы:

Г — генератор опорной серии; ИНИ — интерполятор начала интервала; ИКИ — интерполятор конца интервала; Кл — ключ; ЛУ — логическое устройство; СДИ — селектор длительности интервала; СМР — счетчик младших разрядов; ССР — счет чик старших разрядов; УСК — устройство суммирования кодов.

тора длительности интервала времени (СДИ), поступает на логическое устройство (ЛУ). Его схема, взаимодействуя с генератором (Г) опорной серии, фиксирует и передает на соответствующие устройства измерителя всю совокуп ность длительностей, которые выделяются из измеряемо го интервала времени.

Представлен вариант интерполяционного кодирую щего устройства, в котором в качестве интерполяторов используются преобразователи типа «время — амплиту да — время — код» (t–А–Т–С). Один из них является интер полятором начала интервала (ИНИ) и дает кодовую инфор мацию о временном положении сигнала СТАРТ в пределах периода Т0 опорной серии. В свою очередь, интерполятор конца интервала (ИКИ) выделяет кодовую информацию о временном положении сигнала СТОП на временной оси в этом измерителе. Получаемые коды фиксируются в двух адресных счетчиках младших разрядов (СМР1) и (СМР2). Полное число периодов, на которое разнесены сигналы СТАРТ и СТОП, фиксируется счетчиком старших разря дов (ССР).

По окончании всех процедур кодирования результат измерения поступившего интервала получают на выходе устройства суммирования кодов (УСК). Необходимо заме

тить, что рассмотренная схема интерполяционного измери теля интервалов на базе интерполяторов аналогового типа (t–А–Т–С) является наиболее распространенной структу рой для прецизионного временного анализа наносекунд ного диапазона. Несколько меньше используются цифро вые интерполяторы верньерного типа, хотя их организа ция проще аналогового варианта.

Развитие и совершенство интегральных технологий привело к созданию разных вариантов аналого цифровых преобразователей (АЦП) с весьма высокими параметрами, которые нашли применение в интерполяционных изме рителях временных интервалов. В составе интерполято ров стали использоваться преобразователи типа (t–А) и АЦП в интегральном исполнении, с помощью которых получают код младших разрядов. Ширина канала в та ких интерполяционных измерителях интервалов време ни может быть несколько десятков пикосекунд.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Метод времени пролета (МВП) — основной инструмент при вре менном анализе. Суть МВП.

2.Критерий систематизации методов и техники временного ана лиза и его роль в разграничении диапазонов измерения.

3.Структура методов измерения интервалов времени и их свое образие.

4.Что такое ширина канала и ее роль при временном анализе?

5.Классическая версия временного анализа и ее содержание. Воз можен ли анализ при отсутствии сигнала СТОП?

6.Основные положения многостопного временного анализа и ва рианты его реализации.

7.Измерители интервалов времени с синхронной и несинхрон ной серией, их схемотехнический состав.

8.Измерители интервалов времени типа (t–А) и варианты их ре ализации.

9.Измеритель интервалов времени типа (t–А–Т–С), его струк тура.

10.Нониусный метод кодирования интервалов, его содержание и техника обеспечения.

11.Идея интерполяционного метода измерения интервалов и его реализация на базе преобразования времени типа (t–А–Т–С).

Р А З Д Е Л IV

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИКИ СПЕКТРОМЕТРИИ,

ЕЕПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

ИСРЕДСТВ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ, ВКЛЮЧАЯ АВТОМАТИЗАЦИЮ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Совершенствование ядерных технологий, расширение сферы их использования в традиционных и смежных обла стях стимулирует исследования по физике ядра. Результа ты таких исследований применяются в энергетике, медици не, космических исследованиях, в контроле окружающей среды, утилизации радиоактивных отходов, в обоснова нии замкнутого цикла использования ядерного горючего

ит. п. Расширение сферы ядерно физических исследова ний связано с повышением требований к параметрам ядер ных превращений, к увеличению точности ядерных дан ных. Повышение их точности с 20 до 6% при создании реактора гарантирует экономию средств почти в 10 млн долларов.

Получение новых данных, а также их уточнение ведет к увеличению сложности экспериментальных исследова ний, к росту числа каналов съема и регистрации измери тельной информации. Создаются условия для внедрения

ииспользования новых методик измерений в виде различ ных вариантов мультифакторного амплитудного и времен ного анализа. Основные положения и унифицированные версии таких вариантов анализа рассматриваются в мате риалах данного раздела. Здесь же обсуждаются вопросы и проблемы прецизионных и долговременных измерений для каждого из этих основных направлений анализа, вклю чая технику и электронные средства их обеспечения и ре ализации.

В последней главе излагаются вопросы автоматизации ядерно физических исследований. Во второй половине XX столетия на переднем фронте автоматизации таких исследований находилась ядерная электроника. Ее изме рительная техника создавалась по модульному принципу (NIM, ВИШНЯ). Для экспериментальных данных требо валась существенная дальнейшая обработка для выделе ния необходимой информации. Растущие объемы экспе риментальных данных, их оперативная обработка обус ловливали использование ЭВМ и средств вычислительной техники в составе автоматизированных систем для науч ных исследований. Эти системы создавались на основе ба зовых стандартов магистрально модульного принципа их построения (САМАС, ВЕКТОР, FASTBUS, VME и т. д.), основные положения которых в предельно сжатой форме рассмотрены в конце данного раздела.

Г Л А В А 12

РАЗВИТИЕ БАЗОВЫХ НАПРАВЛЕНИЙ

СПЕКТРОМЕТРИИ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Спектрометрия ионизирующих излучений является одним из основных инструментов исследования ядерных превращений. Различают две основные версии спектро метрических измерений: амплитудную и временную. Пер вая реализуется за счет амплитудного анализа, другая свя зана с временным анализом, который осуществляется в микросекундном или наносекундном диапазоне. Развитие и совершенствование этих видов анализа идет по пути мультифакторных их вариантов, основные положения которых представлены в данной главе.

12.1. ОСНОВНЫЕ МОДИФИКАЦИИ

АМПЛИТУДНОГО МУЛЬТИФАКТОРНОГО АНАЛИЗА

Прежде чем раскрыть суть и некоторые особенности амплитудного мультифакторного анализа, следует отме тить необычайно масштабное использование обычного унифицированного его варианта. Области применения амплитудного анализа исключительно разнообразны. Его используют в составе изотопного и активационного ана лиза, методы которого характеризуются высокой чувстви тельностью и точностью регистрации. Эти методики из мерений на основе электронных средств амплитудного анализа обладают завидной эффективностью и скоростью получения результатов.

Изотопный анализ применяют в различных сферах науки, промышленности, биохимии, медицины, биофи зики и т. д. Особенно результативна его реализация при