Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

образования пары носителей заряда (электрон — дырка) достаточно стабильна (~ 3 эВ).

Во вторых, детекторные устройства данного типа экс плуатируются при весьма низкой температуре, которая практически не меняется. Более того, для охлаждения детектора используется специально разработанная струк тура на основе сосуда Дьюара, наполненного жидким азо том (–196 С). К тому же, применение зарядочувствитель ного предусилителя практически полностью нивелирова ло главный источник нестабильности ППД — зависимость и изменение его емкости от величины приложенного на пряжения питания.

Использование специальной электронной техники для стабилизации тракта с ППД можно считать еще одной от личительной чертой детекторов данного вида. В практи ке измерений при решении таких проблем применяются электронные средства целевого назначения, получившие название генераторы точной амплитуды (ГТА). С их по мощью размещают в начале и конце регистрируемого спек тра (в пределах 1/8 и 7/8 диапазона измерений) реперные пики.

Такое положение обоих пиков на шкале измерений связывают с порогом и коэффициентом тракта передачи. Такой вариант размещения их в спектре облегчает коррек цию данных параметров измерительного тракта в циклах стабилизации. Для стабилизации тракта можно исполь зовать естественные монолинии, присутствующие в реги стрируемом спектре, т. е. пики, уже находящиеся в нем. Они должны иметь примерно такое же положение, кото рое было отмечено ранее.

Однако в ряде случаев их в спектре может и не быть. Кроме того, они могут иметь недостаточную интенсив ность, а их положение в спектре может оказаться крайне неудобным для этих целей и т. п. Тем не менее такие ва рианты стабилизации измерительного тракта спектромет ра все же применяются на практике. Более того, для ста билизации тракта могут быть использованы дополнитель ные, вспомогательные источники излучения с известным набором монолиний.

Такой вариант стабилизации тракта вполне реален, однако в практике его реализации имеются определенные трудности. Прежде всего они связаны с интенсивностью излучения дополнительного источника излучения. Подо брать и установить оптимальную ее величину от внедренно го источника — весьма непростая задача. Статистический характер поступления опорных сигналов также будет зат руднять отбор и размежевание их с рабочими сигналами тракта.

Данный аспект тоже следует считать негативным мо ментом такого варианта стабилизации. Кроме того, все гда необходимо корректировать интенсивности излучения дополнительного источника при изменении направления или задач экспериментальных исследований. В силу это го более рационально и эффективно для этих целей ис пользовать ГТА. Рассмотрим один из вариантов структу ры стабилизации измерительного тракта, входящего в со став спектрометра энергий на базе ППД, схема которого приведена на рисунке 69.

Рис. 69

Структурная схема стабилизации измерительного тракта с ППД:

АЦП — аналого цифровой преобразователь; БУ — быстрый усилитель; ГТА — генератор точной амплитуды; Д — дискриминатор; ЗЧП — зарядочувствитель ный предусилитель; Кк — коррекция коэффициента передачи; Кп — коррекция порога; ЛВ — линейные ворота; ЛУЦС — логика управления циклом стабилиза ции; ППД — полупроводниковый детектор; РК — регистр коэффициента переда чи; РП — регистр порога; РР — результат регистрации; СНОД — система накоп ления и обработки данных; СПУ — спектрометрический усилитель; СЧ — счет чик; УУ — устройство управления.

Вобщепринятую структуру унифицированного изме рительного тракта, реализующую амплитудный анализ, введена система стабилизации его основных параметров. Не рассматривая работу данного тракта в целом, ознако мимся только лишь с функционированием системы ста билизации в его составе. Параметры тракта стабилизиру ются по двум точкам его амплитудной характеристики (порогу и коэффициенту передачи). Необходимые репер ные сигналы получают при помощи ГТА.

Данный генератор по очереди вырабатывает пару им пульсов. Их амплитуда, выбранная в соотношении 1:8, передается на контрольный вход ЗЧП. Частота поступле ния этих импульсов обычно составляет несколько десят ков (10–100) Гц и задается логикой управления циклами стабилизации (ЛУЦС). Импульсы, выделенные ГТА, об рабатываются теми же схемами тракта, что сигналы ППД,

ацикл стабилизации проходит аналогично процессу из мерения.

Результаты циклов стабилизации в виде кода фикси руются в разных структурах — в регистре порога (РП) или в регистре коэффициента (РК) соответственно. Цифровой код каждого из регистров РП и РК трансформируется схе

мами коррекции Кп и Кк в сигналы регулировки соответ ствующего параметра. Схемой Кп служит обычный циф роаналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговый выход которого по результату цикла его стабилизации изменяет величину порога.

Впредставленном варианте данный параметр регули руется в схеме аналого цифрового преобразователя (АЦП), хотя это не единственная версия. Его можно изменять за счет регулировки и в других схемах тракта, например в схеме линейных ворот (ЛВ). Код регистра РК с помощью

схемы Кк управляет величиной коэффициента передачи. Обычно это тоже ЦАП, аналоговый выход которого при меняется для регулировки коэффициента передачи трак та, например в схеме АЦП.

Это достаточно просто, если АЦП вилкинсоновского типа, т. е. работающий по принципу амплитудно вре менной трансформации. При этом изменяют ток разряда

запоминающего конденсатора схемы зарядно разрядного устройства в АЦП. Возможен еще другой вариант регули ровки коэффициента передачи тракта. Его обычно связы вают с автоматическим изменением коэффициента усиле ния. При этом параметры изменяются и регулируются, но уже в схемах спектрометрического усилителя (СПУ).

Сигналы рассогласования, указывающие на отклоне ние параметров измерительного тракта, выделяются схе мами РП и РК. Наиболее простой алгоритм функциони рования системы стабилизации представляет собой выде ление знака отклонения параметра (обычно больше или меньше). Структура, работающая по такому принципу, известна как система коррекции параметров релейного типа. Шаг или ступень изменения регулируемого парамет ра не превышает одной четверти ширины канала измере ния или шага квантования в АЦП.

Известен и другой вариант коррекции параметров, где регулирующее воздействие может быть пропорционально величине отклонения контролируемого параметра. При реализации пропорциональной версии система стабили зации значительно быстрее приходит в устойчивое состоя ние. Как показывает практика, применение таких систем стабилизации параметров спектрометрического тракта обеспечивает необходимую надежность измерений и, что важно, повышает достоверность получаемых эксперимен тальных данных.

13.4. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР

ЭНЕРГИЙ И ОСОБЕННОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ ЕГО ТРАКТА

Более полувека сцинтилляционные детекторы были и остаются наиболее востребованными устройствами реги страции ионизирующих излучений. Детекторы этого про филя применяются как для амплитудного, так и для вре менного анализа в разных направлениях ядерной физики и смежных ее областях. Они доминируют в спектромет рии быстрых нейтронов по времени пролета. Более того,

другой альтернативы в этой области ядерно физических исследований пока не существует.

Рассмотрим специфику использования этих детекто ров при амплитудном анализе. В состав детекторного уст ройства входит сцинтиллятор и фотоэлектронный умно житель (ФЭУ). Известно, что сцинтиллятор преобразует энергию гамма квантов или других частиц ядерного из лучения в вспышку света, которая затем с помощью ФЭУ трансформируется в электрический сигнал. Интенсив ность вспышки света определятся и зависит от величины энергии, которую утрачивает в сцинтилляторе зарегист рированное излучение.

Чем интенсивнее вспышка, тем большее число фото электронов будет выбито из фотокатода ФЭУ. Далее они поступают на его динодную систему. Данная система не посредственно выполняет функцию усиления. Она увели чивает количество электронов, уходящих с каждого ди нода, по отношению к поступившему их числу. Принято считать, что каждый пришедший электрон выбивает из динода не менее двух электронов.

Данный аспект проявляется в известном процессе их умножения, реализуя таким образом функцию усиления. На параметры выходных сигналов ФЭУ влияют самые раз личные факторы. Сказываются статистический характер возникновения вспышки и фотоэлектронов, образования вторичных электронов, разброс в ходе их транспортиров ки по динодной системе и т. д. Проявляется негативное влияние внешних факторов (температура, влажность, маг нитные, электрические поля и т. п.).

Это ведет к нестабильности коэффициента усиления, непостоянству светового выхода сцинтиллятора и его спектральной характеристики и т. д. Наиболее значимый вклад в нестабильность параметров спектрометрической установки вносит сам умножитель. В таком случае вклю чение ФЭУ в цепь стабилизации совершенно необходимо.

В системе стабилизации надо иметь опорную линию, создаваемую оптическим источником излучения импуль сного типа. Его короткие вспышки света направляются на фотокатод ФЭУ. Вариант системы стабилизации изме

передается и поступает в измерительный тракт спектро метра. Перечень его компонентов практически ничем не отличается от состава тракта, который используется при регистрации ядерного излучения.

На выходе регистра результата (РР) код не появится, поскольку регистр блокирован сигналом со схемы ЛУЦС. В циклах стабилизации код АЦП фиксируется двумя схе мами выделения окна (СВО). Оба устройства в виде СВО (a и b) связаны со своим участком спектра. В зависимости от результата измерений код будет зарегистрирован или в СВОa, или в СВОb. В реверсивный счетчик (РС) будет до бавлена или вычтена единица.

Изменившийся код в схеме РС поступает на цифро аналоговый преобразователь (ЦАП). Его аналоговый вы ход с помощью регулируемого источника питания (РИП) изменяет напряжение на ФЭУ. Известна сильная зависи мость его коэффициента усиления от питающего источ ника высокого напряжения, что особенно важно при спек трометрических измерениях. Обычно эти источники пи тания обладают высокой стабильностью (лучше 0,01%) и могут регулироваться внешним воздействием в аналого вой или в цифровой форме.

Помимо представленного варианта управления коэф фициентом усиления в измерительном тракте, возможен и другой подход к решению этой задачи. Выход ЦАП мо жет воздействовать на другие участки тракта, например, используя для этих целей схему регулируемого делителя (РД), включенного между спектрометрическим усилите лем (СПУ) и линейной схемой пропускания (ЛСП), т. е. линейными воротами.

На структурной схеме эта версия регулирования отра жена пунктирной линией. В нижнем левом углу этой схе мы показано положение окон выбора кода. Воздействуя на светодиод сигналами разной амплитуды, можно менять интенсивность его излучения и размещать реперный пик в любой части спектра. Если автоматически изменять ам плитуду сигналов с ГИТА, а это в нем обычно реализует ся, то можно осуществлять контроль порога измеритель ного тракта.

В этом случае необходимо привлечение дополнитель ных электронных средств. Нужно определиться с местами

втракте и ввести корректное регулирование необходимых его параметров в составе экспериментальной установки. Стабилизация основных параметров спектрометрическо го тракта в существенной мере повышает достоверность проводимых исследований. Помимо опорных монолиний

вспектре, получаемых с помощью импульсных источни ков света, существуют и другие их варианты.

Следует отметить применение дополнительных радио активных препаратов с подходящими интенсивностями и необходимыми моноэнергиями. Для этих же целей мож но использовать пики в регистрируемом спектре излуче ния. В зависимости от варианта получения реперных пи ков будет отчасти меняться структура и состав системы стабилизации измерительного тракта сцинтилляционно го спектрометра.

13.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВРЕМЕННОГО СПЕКТРОМЕТРА

ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Нестабильность измерительного тракта временного спектрометра, обладающего прецизионным уровнем па раметров, зависит от целой совокупности внутренних и внешних негативных факторов. Один из них связан с из менением формы детекторных сигналов и их флуктуа цией, с дрейфом уровней формирования сигналов времен ной отметки, с нестабильностью изменения масштаба вре мени и т. д.

Эти факторы, внутренние по сути, негативно проявля ются в разных модулях тракта временного спектрометра. Это далеко не полный перечень отрицательных аспектов, возникающих в трактах высокого разрешения. Следует еще отметить деструктивное влияние внешней среды на параметры временных спектрометров высокого разреше ния (перепады температуры и напряжения питания, ста рение элементной базы и т. д.).

Все это, как и практика продолжительных измерений, вызывает неуправляемое изменение характеристик изме рительного тракта. Такая ситуация ведет к снижению ка чества и уровня экспериментальных исследований. Во всех структурах электронной техники данного назначения ши роко используются методы и схемотехнические решения, которые нивелируют влияние негативных факторов.

Реализуются разнообразные варианты отрицательной обратной связи, методы и техника температурной компен сации, элементы параметрической стабилизации и т. п. Радикальным подходом к решению этих проблем явля ется стабилизация основных параметров спектрометра. Структурная схема одного из вариантов прецизионного временного спектрометра с системой стабилизации трак та приведена на рисунке 71.

Рис. 71

Структурная схема прецизионного временного спектрометра с системой стабилизации тракта:

АС — адресный счетчик; АЦП — аналого цифровой преобразователь; ВАП — вре мя амплитудный преобразователь; И — логический элемент; ЛУЦС — логика управления циклами стабилизации; РС — реверсивный счетчик; СНОД — систе ма накопления и обработки данных; T — длительность трансформированной ам плитуды сигнала ВАП; T–N — преобразователь длительности сигнала в число импульсов (т. е. их серию); УККП — устройство коррекции коэффициента преоб разования; УКПУ — устройство коррекции порогового уровня; УУ — устройство управления; ФВО — формирователь временной отметки; ЦАП — цифроаналого вый преобразователь; ЭЗ — элемент задержки; 1 — инвертор (логический элемент).

Реперные (опорные) интервалы времени обычно фор мируют, используя отрезки радиочастотного кабеля. Ин тервалы выделяются с помощью схемы элементов задер жки (ЭЗ), которая состоит из двух отрезков кабеля, вклю ченных параллельно друг другу. Подбирая величину их задержки, получают два интервала. Один из них разме щается в начале регистрируемого спектра и связан с поро гом тракта, другой — в конце спектра и ассоциируется с коэффициентом передачи тракта.

Дополнительная погрешность задержки кабеля при изменении температуры окружающей среды составляет ~ 0,01%/ С, что позволяет использовать его в качестве эта лона. Такая система коррекции параметров охватывает практически все основные структуры измерительного трак та за исключением детекторов. Периодически с частотой несколько десятков герц логика управления циклами ста билизации (ЛУЦС) инициирует и запускает процесс кор рекции параметров тракта.

Блокируя схемы формирования временной отметки (ФВО), схема ЛУЦС выделяет сигнал СТАРТ, связанный с ЦС, и подает его на устройство ФВО1. Схема формирова теля передает его на вход время амплитудного преобразо вателя (ВАП) и схему ЭЗ. Импульс, задержанный на за данную величину одним из элементов ЭЗ и сформирован ный схемой ФВО2, используется для преобразователя в качестве сигнала СТОП в циклах стабилизации. Длитель ность, заключенная между сигналами СТАРТ и СТОП, яв ляется одним из эталонных интервалов и трансформирует ся схемой ВАП в амплитуду, реализуя таким образом функ цию преобразования «время — амплитуда», т. е. (t–А).

Полученная амплитуда с помощью АЦП сначала мо дифицируется в длительность Т. Затем посредством пре образования Т–N (время — число импульсов) и с помощью адресного счетчика (АС) АЦП выделенная длительность трансформируется в цифровой код. Однако в систему на копления и обработки данных (СНОД) полученный код не передается, поскольку устройство управления (УУ) в этом случае заблокировано схемой ЛУЦС и сигнал ЗАЯВКА В СНОД не вырабатывается.