Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Развитие базовых направлений спектрометрии ядерных излучений 301

Рис. 68

Структурная схема времяпролетного спектрометра быстрых нейтронов с использованием цифрового метода обработки сигналов:

А — анод ФЭУ; БД — быстрый дискриминатор; БПУ — быстрый предусили тель; БСС — быстрая схема совпадений; ВАЦП — временной аналого цифро вой преобразователь; Д — динод ФЭУ; к. д. — камера деления; ЛЗ — линия задержки; ОФС — оцифровщик формы сигнала; п. б. — пролетная база; ПК — персональный компьютер; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель; Cf — кали форний 252; n — нейстроны; — гамма кванты; f — деление.

получали с помощью ОФС. Источником излучения нейт ронов служила калифорнивая камера деления (к. д.) с изо топом 252Cf. Нейтроны и кванты спонтанного деления этого изотопа регистрировались сцинтилляционным де тектором (стильбен + ФЭУ). Сигнал с динода ФЭУ усили вался быстрым предусилителем (БПУ) и формировался быстрым дискриминатором (БД).

Он служил импульсом СТАРТ для временного анало го цифрового преобразователя (ВАЦП). Стоповые сигна лы для ВАЦП получали с выхода быстрой схемы совпаде ний (БСС). Ее запускали стартовыми сигналами, выделяя при этом временное окно ~ 200 нс, чтобы пропустить на выход сигналы, которые были связаны с осколками деле ния. Временные соотношения между последовательнос тью сигналов, поступающих на воды БСС, приведены в правом нижнем углу рисунка 68.

Сигналы, усиленные в БПУ и сформированные другой схемой БД, получали с камеры деления. Их средняя ин тенсивность составляла около 22 103 импульсов в секун ду. Они задерживались кабельной линией задержки ЛЗ, чтобы попасть во временное окно БСС, и дополнительно

формировались еще одной схемой БД. Все схемы БД были быстрыми дискриминаторами по постоянной части сиг нала [7].

Пролетная база (п. б.) спектрометра (около 1,8 м) опре делялась расстоянием от к. д. до сцинтилляционного де тектора. Сигналы с анода ФЭУ непосредственно поступали на вход схемы ОФС. В качестве устройства использовался waveform digitizer DP111 (фирмы Acqiris Digitizer) с по лосой пропускания 500 МГц. В диапазоне измерений от 0,1 до 0,4 В, установленном в оцифровщике, амплитуда вход ных сигналов модифицировалась в семиразрядный код обоих знаков, от –128 до +128.

Амплитуда каждого из входных сигналов превраща лась в цифровой аналог, который представлял собой вы борку из 1024 значений. Процесс оцифровки, инициируе мый входным сигналом, всякий раз прерывался при по ступлении на устройство ОФС сигнала СТОП. Эксперимент обслуживался двумя ПК. Один из них (ПК1) был связан с каналом оцифровки сигналов. В его памяти накапливали и хранили результаты преобразования формы сигналов в цифровой код.

Это был цифровой эквивалент формы амплитуд сигна лов, снимаемых с анода ФЭУ. Временной канал спектромет ра, связанный с ПК2, обслуживал модуль ВАЦП. В памя ти этого компьютера накапливали и хранили информацию о времяпролетных спектрах нейтронов и гамма квантов. Чтобы снизить вклад гамма квантов в регистрируемые в ходе измерений спектры, сцинтилляционный детектор размещался в свинцовом домике.

Результаты обработки полученных эксперименталь ных данных показали весьма высокую эффективность ре ализованного варианта ЦМОС (цифровые методы обработ ки сигналов). Было получено хорошее качество разделе ния нейтронов и гамма квантов вплоть до энергии 60 кэВ. Ранее при использовании самых эффективных вариантов АМОС эта граница в лучшем случае лежала в пределах 120–150 кэВ.

Восстановление нейтронного спектра и спектра гам ма квантов из результатов оцифровки сигналов показало

Развитие базовых направлений спектрометрии ядерных излучений 303

их хорошее совпадение. Было установлено и отмечено их вполне корректное соответствие со спектрами, которые ре гистрировались с помощью модуля ВАЦП. Расхождений практически не наблюдалось вплоть до разрешения, ко торое определяется по зарегистрированному пику гамма квантов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назначение и суть амплитудного мультифакторного анализа (АМФА).

2.При регистрации каких параметров ядерного излучения мож но использовать АМФА?

3.Сущность временного мультифакторного анализа (ВМФА) и варианты его реализации.

4.Многостоповые временные измерения как разновидность ВМФА, их виды и формы осуществления.

5.Можно ли считать многодетекторные измерения одним из ви дов АМФА или ВМФА? Если да, то почему?

6.Какое электронное средство необходимо для осуществления многодетекторных измерений?

7.Что такое перекрестные искажения при многодетекторных временных измерениях наносекундного диапазона и за счет чего снижается их вклад в результаты измерений?

8.Цель применения мультискайлерного анализа и суть методи ки его реализации.

9.Какая информация и в каком виде может быть получена при осуществлении мультискайлерного анализа?

10.В каких параметрах детекторного сигнала заключается инфор мация о ядерном излучении?

11.Какие электронные средства могут вести регистрацию формы импульсных сигналов?

Г Л А В А 13

ДОЛГОВРЕМЕНЫЕ И ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ,

МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Варианты измерений данного направления востребо ваны как при амплитудном, так и при временном анализе. Практика измерений демонстрирует, что их реализация непосредственно связана с применением особых методов, а также специальных технических средств, используемых при их организации. Следует заметить, что без соответ ствующего уровня технического обеспечения проведение как долговременных, так и прецизионных измерений бу дет весьма проблематично, а в ряде случаев просто нере ально. На некоторых проблемах и определенных трудно стях, возникающих при таких измерениях, сконцентри ровано внимание этой главы.

13.1. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И СТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА

Снижение параметров измерительного тракта спект рометра (ухудшение их со временем) обусловлено воздей ствием различных дестабилизирующих факторов. Особен но это характерно при длительных измерениях, когда спектрометрическая установка и ее измерительная систе ма функционируют достаточно продолжительное время в непрерывном режиме работы. Действительно, в соответ ствии со стандартом ГОСТ 24657 81 «Спектрометры энер гий ионизирующих излучений. Типы и основные парамет ры» регламентируется время непрерывной работы таких структур в пределах от одной рабочей смены (8 ч) и почти до 30 сут.

Действие дестабилизирующих факторов (флуктуации температуры, напряжения питания, изменение чувстви тельности детекторных устройств и т. д.) обычно проявля ется в виде уширения пиков и их сдвигов в регистрируе мых спектрах. Нестабильности дают о себе знать в течение определенного периода времени. Если этот промежуток времени меньше продолжительности эксперимента, то вклад нестабильностей можно учесть и скорректировать периодической калибровкой.

В противном случае необходима целенаправленная коррекция параметров измерительного тракта спектро метра, которая осуществляется непосредственно в ходе эксперимента. Эти процедуры реализуются с помощью специальной техники, образующей подсистемы стабили зации параметров тракта. Такими параметрами обычно являются «нуль», т. е. начало шкалы и коэффициент пе редачи спектрометрического тракта.

Нестабильность первой составляющей (нуля) обуслов лена дрейфом исходного уровня различных схем усиле ния, дискриминации, линейного пропускания, а также аналого цифрового преобразования и т. д. В составе этих устройств данный параметр, фиксируя начало шкалы изме рений, проявляется в виде нестабильности порога изме рительной системы. Такие флуктуации можно обнару жить в виде смещения моноэнергетических пиков во всем регистрируемом спектре на одну и ту же величину, т. е. на одинаковое число каналов.

Девиация пиков в пределах регистрируемого диапазо на энергий не зависит от их расположения в спектре, т. е. в начале или в его конце. Такой дрейф обычно составляет несколько каналов в ту или иную сторону и будет всегда одинаковым. Нестабильность шкалы измерений (коэффи циента передачи тракта) является причиной изменения данного параметра в схемах усиления, пропускания и ана лого цифрового преобразования.

Флуктуации параметров этих устройств непосредст венно ведут к смещению пиков, а также ухудшают разре шение в измерительном тракте. Их дрейф в начале и в кон це шкалы будет неодинаковым, неравномерным и отли

чаться во всем диапазоне регистрируемых энергий. Более того, пики в конце спектра будут смещены больше, чем в его начале. Такая ситуация вызвана изменением наклона характеристики преобразования измерительного тракта.

При этом, как показывает практика измерений, воз никают условия для неодинакового смещения пиков, а также для разного их уширения в спектре. Наиболее зна чительные изменения будут происходить на конце заре гистрированного спектра, т. е. в его высокоэнергетической области. Менее заметные, но все же негативные модифи кации такого плана наблюдаются в начале спектра, т. е. в его низкоэнергетической области.

Нестабильность положения пиков в спектре и ухуд шение разрешения в них обусловлены девиацией коэффи циента передачи детекторного сигнала в измерительном тракте. Такая ситуация характерна при нестабильности коэффициента преобразования для измерительной систе мы. Независимо от реализации того или иного вида ана лиза (амплитудного или временного) цели и задачи по обес печению высокого уровня параметров измерительного тракта регистрации нередко совпадают. Для каждого вида существуют свои системы стабилизации измерительных трактов.

Системы стабилизации будут в значительной мере раз личаться даже при использовании единой формы обработ ки детекторных сигналов, например с помощью ампли тудного анализа. Такие отличия определяются видом ис пользуемого детекторного устройства. При амплитудном анализе системы стабилизации измерительного тракта их структура и состав для ионизационного детектора (каме ра, счетчик), сцинтилляционного или полупроводниково го детектора будут в существенной мере отличаться.

Различие будет определяться глубиной или степенью охвата измерительного тракта петлей системы стабилиза ции. Охват считается полным, если в петле системы ста билизации, помимо измерительных модулей тракта, на ходится еще и само детекторное устройство. Такая ситуа ция характерна для различных спектрометров энергий на базе амплитудного анализа с использованием сцинтилля

ционных детекторов. Эти условия необходимо учитывать при выборе системы стабилизации.

Важно заметить, что независимо от состава детектор ных устройств, вида используемого анализа (амплитуд ного или временного) в обобщенной системе стабилизации тракта можно выделить определенную совокупность бло ков. В состав такой структуры должен входить источник опорного или реперного сигнала. Если такой источник отсутствует, то коррекцию параметров тракта чаще всего выполняют по естественным моноэнергетическим пикам регистрируемого спектра.

При использовании опорных сигналов в спектре появ ляются реперные пики, по которым осуществляется авто подстройка параметров измерительной системы. В таком случае в составе системы стабилизации необходим нуль орган или датчик для выделения сигнала рассогласова ния по результатам выполненных циклов стабилизации. Кроме того, нужно устройство, фиксирующее результат сравнения, получаемый в циклах стабилизации заданно го параметра.

Требуется схема регулировки стабилизируемого пара метра (порог и коэффициент преобразования измеритель ной системы спектрометра). Необходима структура, т. е. электронная схема, инициирующая запуск циклов стаби лизации непосредственно в ходе измерений. Данный пе речень компонентов далеко не полный. Его состав зави сит от варианта системы стабилизации, который должен учитывать специфику измерительного тракта как при амплитудном, так и при временном анализе.

13.2. ПРЕЦИЗИОННАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ

И НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Практика реализации прецизионных измерений (изме рения с высокой точностью) в спектрометрии ионизирую щих излучений достаточно обширна и весьма многогранна. Сохраняется тенденция расширения сферы использования таких измерений. Для различных направлений научных

исследований на основе спектрометрии высокого разре шения необходима электронная аппаратура с таким же отменным уровнем измерительных параметров. Одним из примеров использования аппаратурных средств такого плана может служить активационный анализ.

Основные методики его измерений и технические сред ства их обеспечения результативно используются в раз ных направлениях химии, биологии, медицины и т. д. Базовые положения этого анализа эффективно применя ются во многих сферах производства, науки и техники. Весьма важная роль в прецизионной спектрометрии отво дится полупроводниковому детектору (ППД). Параметры регистрации, которые обеспечивает его применение, до сих пор остаются непревзойденными другими детектор ными устройствами.

Появление такого детектора, его широкое внедрение в практику экспериментальных ядерно физических иссле дований, а также дальнейшее развитие данной техники детектирования обусловили возникновение нового и важ ного направления в изучении ядерных превращений — спектрометрии высокого энергетического разрешения. По диапазону регистрируемых энергий, по величине разре шения измерения на основе ППД практически сравнялись с высокими параметрами магнитной спектроскопии, а в отдельных случаях даже превзошли ее.

Принципиальное значение имеет весьма высокая ста бильность ППД, которая обеспечивает надежность дли тельных измерений. Данный фактор крайне важен при работе с очень слабыми источниками излучения. Более того, исследования параметров источников излучения та кой интенсивности с помощью других методик измерений были бы практически невозможны. Высокое энергетиче ское разрешение и эффективность регистрации, которые обеспечивают детекторы данного вида, обусловливают аналогичный уровень требований к параметрам всего трак та регистрации спектрометрической установки.

В составе аппаратурных средств, как правило, исполь зуются аналого цифровые преобразователи на 13–15 дво ичных разрядов и более. Такая точность стала характер

ным признаком прецизионной спектрометрии. Столь вы сокие характеристики ППД обеспечиваются физикой про цессов, происходящих в таких детекторах, и связаны со спецификой образования в них пар носителей заряда (элек трон и дырка) при облучении.

Энергия, которая расходуется на возникновение одной пары зарядов в ППД, составляет в среднем всего лишь 3 эВ.

Вионизационной камере или в пропорциональном счет чике на аналогичный процесс (электрон и положительно заряженный ион) затрачивается почти около 30 эВ, т. е. на порядок больше. В сцинтилляционном детекторе на инициирование световой вспышки необходимо уже 300 эВ и более. Именно данным фактом объясняется высокое энергетическое разрешение, получаемое при регистрации продуктов ядерных превращений с помощью ППД.

Эти детекторные устройства на базе ППД широко при меняются в прецизионных измерениях, реализуемых в со ставе экспериментальных методов ядерной физики. В ис следованиях на их основе отмечается значительный рост таких измерений. Практика применения электронной тех ники данного вида ориентирована на амплитудный ана лиз высокой точности. В свою очередь, временные преци зионные измерения широко используются в эксперимен тах по изучению времени жизни возбужденных состояний ядер, а также применяются в изучении дефектов в струк туре исследуемых материалов методом позитронной спек троскопии.

Структурные дефекты материалов могут быть вызва ны самыми различными факторами. Это может быть про сто нагрев или деформация (сжатие, удар и т. п.), а также воздействие различных ионизирующих излучений и т. д.

Вкачестве основных детекторов используются быстрые сцинтилляторы и быстрые фотоэлектронные умножите ли (ФЭУ). Точность измерений, которая необходима при таких исследованиях, нередко составляет несколько де сятков пикосекунд и менее. Такой же уровень точности должна обеспечить экспериментальная установка в иссле дованиях времени жизни возбужденных состояний ядер.

Для временного анализа такого уровня, как и в случае долговременных измерений, необходима стабилизация основных параметров тракта. Независимо от варианта прецизионного анализа (амплитудного или временного) необходимо контролировать начальную точку шкалы из мерений (ее порог), а также коэффициент преобразова ния. Воздействие дестабилизирующих факторов вызыва ет флуктуацию этих параметров, что ведет к возникнове нию дополнительных погрешностей регистрации.

Наиболее эффективным способом кардинального сни жения вклада таких погрешностей в результаты измере ний является применение различных систем стабилиза ции основных параметров. С их помощью выполняется коррекция основных характеристик измерительных си стем, что повышает точность в прецизионных измерени ях. Корректирующее воздействие можно использовать в одном из измерительных модулей системы, например в ана лого цифровом преобразователе.

В практике измерений известны различные варианты коррекции параметров трактов. Во всех случаях исполь зуется информация, которую получают непосредственно в циклах стабилизации. Затем выполняют необходимые изменения того или иного параметра (порога или коэффи циента передачи тракта измерения), обеспечивая для них высокий стабильный уровень. Будут представлены разные версии реализации структур стабилизации, а также при меры коррекции параметров трактов, где отмечаются не которые их особенности.

13.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ ТРАКТА ИЗМЕРЕНИЙ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СПЕКТРОМЕТРА ЭНЕРГИЙ

Стабилизация измерительного тракта спектрометра энергий на основе ППД имеет одну важную особенность. Она заключается в том, что, в отличие от всех остальных детекторов, ППД исключают из петли регулирования па раметров тракта при их стабилизации. Это обусловлено несколькими факторами. Во первых, средняя энергия