Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков
.pdf
Долговременные и прецизионные измерения |
321 |
Если ВАП выдал большую амплитуду, то ее величина будет соответствовать реперному интервалу времени, ко торый связан с коэффициентом передачи тракта. При та кой ситуации в системе стабилизации измерительного тракта спектрометра будет функционировать устройство коррекции коэффициента передачи (УККП). Оно подклю чено к последнему триггеру АС, уровень которого управ ляет передачей импульса стробирования со схемы ЛУЦС на суммирующий или вычитающий вход реверсивного счетчика (РС). Его код по результатам циклов коррекции изменяется и с помощью цифроаналогового преобразова теля (ЦАП) управляет током разряда накопительного кон денсатора в схеме зарядно разрядного устройства в соста ве АЦП.
Данный ток либо увеличивают, если триггер АС нахо дится во взведенном состоянии, либо уменьшают, если последний триггер АС остался в исходном состоянии. Ана логично функционирует схема устройства коррекции по рогового уровня (УКПУ). Для записи кода в реверсивный счетчик схемы УКПУ по результатам цикла коррекции порога, как правило, используют уровень с одного из триг геров АС (обычно от 4–6) схемы АЦП.
В цикле коррекции порога применяется уже другой ЭЗ меньшей величины. При этом на выходе ВАП выделя ется сигнал малой амплитуды, который преобразуется схемой АЦП в код. Его значение в схеме УКПУ реализуют для управления величиной порога в схеме АЦП. Такой вид коррекции коэффициента передачи и порогового уров ня в измерительном тракте является системой стабилиза ции релейного типа.
13.6.
СТАБИЛИЗАЦИЯ ТРАКТА ПУТЕМ СРАВНЕНИЯ ЕГО ЗАДЕРЖКИ С ЭТАЛОНОМ
Рассмотренные ранее структуры и техника стабилиза ции измерительных трактов спектрометров ядерного из лучения независимо от варианта используемого анализа (амплитудный или временной) являются довольно слож
322 |
Глава 13 |
ными системами. В их составе наблюдаются достаточно многочисленные связи между разными модулями, а так же их частями. Как показывает практика использования таких систем, в их составе необходимы два эталона, нали чие которых определяется контролируемыми параметра ми тракта (порог и коэффициент передачи).
В системах коррекции этих параметров, как показали представленные варианты их реализации, присутствуют связи с адресным счетчиком АЦП. Кодовая информация этого счетчика применяется в коррекции параметров трак та независимо от вида или варианта используемого ана лиза. Для прецизионного временного анализа появились системы стабилизации измерительного тракта, где утраче на связь с преобразованием длительности в цифровой код.
Более того, адресный счетчик в составе АЦП, как клю чевой компонент унифицированных систем стабилизации, при этом не используется. В основу функционирования такой системы стабилизации положена идея контроля за держки распространения реперного сигнала в измеритель ном тракте. По результатам циклов стабилизации коррек тируется, т. е. изменяется и регулируется, величина за держки непосредственно в самом измерительном тракте спектрометра.
При таком варианте стабилизации эталоном сравне ния служит величина задержки коаксиального радиоча стотного кабеля заданной длины. В качестве каскада срав нения величины эталона и длительности задержки само го тракта, т. е. установления соотношения между ними, используется одна из разновидностей устройств на базе приоритетного дискриминатора. Структурная схема ста билизации стартового канала временного спектрометра приведена на рисунке 72.
Схема устройства приоритетного дискриминатора с вы сокой точностью (не хуже 20 пс) определяет порядок по ступления сигналов по своим входам. При этом выходные уровни устройства однозначно связаны и определяют оче редность поступления входных сигналов, т. е. устанавлива ют вход, по которому сигнал поступил первым. Следова тельно, как показала практика измерений, почти с такой
Долговременные и прецизионные измерения |
323 |
Рис. 72
Структурная схема стабилизации стартового канала временного спектрометра:
АУЗ — аналоговая управляемая задержка; АЦП — аналого цифровой преобразо ватель; ВАП — время амплитудный преобразователь; ГРИ — генератор реперных импульсов; КЭЗ — кабель эталонной задержки; ЛУЦС — логика управления цик лами стабилизации; ПД — приоритетный дискриминатор; РИ — разностный ин тесиметр; СД — светодиод; СНОД — система накопления и обработки данных; УС — усилитель; УУ — устройство управления; Ф — формирователь; ФВО — фор мирователь временной отметки; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель; ЭВМ — электронно вычислительная машина.
точностью появилась возможность поддерживать величи ну задержки распространения сигналов по измерительно му тракту временного спектрометра.
Представленная система стабилизации практически полностью охватывает стартовый канал временного спек трометра, включая его сцинтилляционный детектор. Схе ма логики управления циклами стабилизации (ЛУЦС) периодически с частотой нескольких десятков герц ини циирует циклы стабилизации задержки распространения стартового сигнала. Схема ЛУЦС деблокирует схему при оритетного дискриминатора (ПД) и запускает генератор реперных импульсов (ГРИ).
Сигнал этого генератора поджигает светодиод (СД) че рез формирователь Ф. Его схема формирует импульсы не обходимой полярности, длительности и амплитуды для СД, обеспечивая требуемые параметры «поджигающему» импульсу. Возникшая в СД световая вспышка регистри руется сцинтилляционным детектором и выделяется в ви де сигнала на выходе ФЭУ. Усиленный схемой УС и сфор мированный устройством формирования временной отмет ки (ФВО) сигнал через схему аналоговой управляемой
324 |
Глава 13 |
задержки (АУЗ) поступает на один из входов приоритет ной схемы ПД.
На другой вход схемы ПД приходит тот же сигнал с устройства ГРИ, сформированный схемой Ф и задержан ный кабельной эталонной задержкой (КЭЗ). Состояние схемы ПД с весьма высокой точностью (лучше 20 пс) ука зывает на вход, где сигнал поступил раньше. Это состоя ние фиксируется устройством разностного интенсиметра (РИ), которой используется для коррекции величины за держки в стартовом канале тракта посредством регули ровки ее величины в схеме АУЗ.
По зафиксированному результату сравнения величи ны КЭЗ и задержки стартового канала АУЗ в каждом цик ле стабилизации изменяется ее величина. В циклах ста билизации, которые инициируются структурой ЛУЦС че рез схему устройства управления (УУ), блокируется работа АЦП и не допускается появление сигнала ЗАЯВКА для системы накопления и обработки данных (СНОД). Рас смотренная система коррекции задержки распростране ния стартового сигнала охватывает все составные части измерительного канала, включая детектор.
Система стабилизации такого вида достаточно эффек тивна. Ее применение в четырех каналах времяпролетной системы регистрации обеспечивало поддержание средней задержки распространения сигналов в пределах ее изме нения не более 50 пс в течение шести месяцев измерений [8]. Подобную систему стабилизации можно использовать и для коррекции параметров стопового канала со своей величиной КЭЗ. Рассмотренную систему коррекции пара метров измерительного тракта также следует отнести к известным системам стабилизации релейного типа.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какие факторы негативно влияют на параметры спектромет рических установок? Назовите некоторые из них.
2.Как проявляется действие деструктивных факторов при изме рении спектров ядерного излучения?
3.Какие параметры измерительного тракта необходимо регули ровать при стабилизации?
Долговременные и прецизионные измерения |
325 |
4.В чем суть прецизионной спектрометрии и какие области нау ки и техники ее используют?
5.Почему полупроводниковый детектор можно не охватывать петлей стабилизации параметров измерительного тракта?
6.Что такое ГТА и какую функцию он выполняет в измеритель ном тракте?
7.Виды систем стабилизации и форма регулировки параметров с их помощью.
8.В чем состоит особенность стабилизации тракта сцинтилляци онного спектрометра?
9.Что можно использовать в качестве реперных сигналов в си стеме стабилизации при использовании амплитудного анализа?
10.Какая структура в составе АЦП является датчиком, определя ющим результат цикла стабилизации?
11.Что может служить эталоном при стабилизации тракта вре менного спектрометра наносекундного диапазона?
Г Л А В А 14
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ СПЕКТРОМЕТРОВ
Электронные средства и техника, представленные ни же, применяются при оперативном контроле основных параметров спектрометрических трактов как амплитуд ного (АА), так и временного анализа (ВА). С их помощью можно вести предварительную настройку данной аппара туры, определять положение начальной точки шкалы пре образования, устанавливать минимальные и максималь ные амплитуды сигналов или диапазон измеряемых ин тервалов времени и т. д. Рассматриваемая электронная техника служит для получения всех импульсов, необхо димых в таких ситуациях. Эти электронные средства мож но отнести к категории сервисных модулей обеспечения АА и ВА.
14.1.
ТЕХНИКА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ВЫСОКОСТАБИЛЬНОЙ АМПЛИТУДЫ
Как показывает практика измерений, для стабилиза ции прецизионного спектрометрического тракта на базе амплитудного анализа необходимы реперные или опорные сигналы. Три основные их разновидности могут быть ис пользованы при выполнении таких функций, т. е. служить опорными импульсами. Это могут быть сигналы, принад лежащие моноэнергетическим линиям собственно реги стрируемого спектра.
Средства контроля параметров трактов спектрометров |
327 |
Однако более характерна ситуация, когда таких пиков в регистрируемых спектрах не наблюдается, поскольку их просто не существует. Такие же сигналы можно получить от внешних дополнительных источников излучения. Обыч но это специальные источники типа ОСГИ (образцовые спектрометрические гамма источники). Их своеобразие состоит в том, что все они имеют точно установленные ха рактерные монолинии хорошо известных энергий.
В третьем варианте реперные сигналы могут быть по лучены с помощью специальных генераторов, которые достаточно часто применяются для этих целей. Оба вари анта использования сигналов от радиоактивных источни ков для стабилизации измерительного тракта нередко сталкиваются с совокупностью проблем. Их энергия в це лом ряде случаев не удовлетворяет условиям эксперимен та, поскольку ее положение в спектре не совсем удачно и корректно.
Более того, они не всегда могут располагаться в преде лах необходимой части спектра, а их интенсивность часто не соответствует реальности, т. е. она либо низкая, либо слишком высокая. Однако система стабилизации приоб ретает важную функциональную особенность охватывать обратной связью практически весь измерительный тракт, включая детектор. При использовании дополнительных источников излучения нередко возникают трудности, обу словленные необходимостью идентификации поступаю щих реперных сигналов.
Их трудно отличить от обычных рабочих сигналов де тектора, что может привести к сбоям и нарушению функ ционирования системы стабилизации. При стабилизации тракта с помощью сигналов от специализированных гене рирующих устройств таких проблем не возникает, по скольку обеспечивается достаточно четкое разграничение их с детекторными сигналами. Система стабилизации по реперным сигналам, получаемым с этих устройств, отли чается предельной гибкостью.
Она достаточно универсальна, удобна в применении и относительно проста в реализации. Однако при всех до стоинствах таких структур стабилизации следует обратить
328 |
Глава 14 |
внимание на ее главный недостаток. Основным несовер шенством данного варианта стабилизации считают тот факт, что детектор исключен из петли регулирования. При ис пользовании полупроводниковых детекторов такую ситуа цию вряд ли можно считать существенным недостатком.
Как уже отмечалось, эти детекторы эксплуатируются при постоянной температуре глубокого охлаждения –196 С (температура жидкого азота), которая в существенной мере нивелирует проявление негативных факторов. Сле довательно, такой детектор без всяких осложнений может быть исключен из петли регулирования, которая обычно охватывается системой стабилизации. Требования к сред ствам формирования реперных сигналов для стабилиза ции амплитудного тракта весьма скрупулезно рассмотре ны авторами одной из монографий [9].
Прежде всего ими было отмечено не совсем удачное название этой техники, которая именуется как генераторы точной амплитуды. Естественно, что такие электронные структуры следовало бы назвать генераторами сигналов высокостабильной амплитуды (ГВСА), поскольку именно в этом заключается основная функция данных устройств. Структурная схема одного из вариантов такого устройства приведена на рисунке 73.
Основой структуры ГВСА является источник опорного напряжения (ИОН). Его стабильность обеспечивает осно вополагающие характеристики такого генератора, которые
Рис. 73
Структурная схема генератора сигналов высокостабильной амплитуды (ГВСА):
ГСТ — генератор стабильного тока; ИОН — источник опорного напряжения; Кл — ключ.
Средства контроля параметров трактов спектрометров |
329 |
определяют уровень и качество прецизионных измерений.
Сдругой стороны, нестабильность является одним из основ ных препятствий в снижении погрешностей спектрометров.
Именно этот параметр создает существенные ограни чения для достижения высоких результатов в практике экспериментальных исследований. Для получения высо ких параметров выходных сигналов схема ИОН, а иногда и весь генератор термостатируется. При такой ситуации в
этих структурах долговременная точность поддержания температуры обычно составляет 0,1 С и выше, на уровне 45–55 С.
Схема ИОН используется для функционирования двух регулируемых генераторов стабильного тока ГСТ1 и ГСТ2.
Сих помощью в течение длительности сигналов «строб1» и «строб2» через соответственно замкнутый ключ Кл1 или Кл2 на резисторе R выделяются сигналы стабильной амп литуды. Эти сигналы в зависимости от очередности по ступления импульсов «строб» будут связаны либо с поро
гом Ап, либо с коэффициентом преобразования Ак спект рометрического тракта.
Изменяя величину тока в схемах ГСТ1 и ГСТ2, можно устанавливать необходимое значение для каждой из амп литуд выходного сигнала. Таким образом осуществляет ся размещение реперных сигналов в начале и конце ста билизируемого амплитудного спектра. Характерно, что, выполняя свои функции, выделяемая последовательность таких сигналов в спектре не регистрируется.
14.2.
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНОСТИ АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА
Наряду с генераторами высокостабильной амплитуды к категории специальной электронной техники, приме няемой для контроля параметров спектрометрического тракта, относятся генераторы белого спектра (ГБС). Это особый достаточно специфический вид электронной техни ки. С их помощью получают равномерное распределение
330 |
Глава 14 |
амплитуд сигналов, которое получило название белого спектра.
С его помощью контролируют и определяют величину интегральной (ИНЛ) и дифференциальной нелинейностей (ДНЛ) спектрометрического тракта. Первый вид нелиней ности ИНЛ служит критерием отклонения измерительной характеристики спектрометра от аппроксимирующей пря мой. Ее величина для прецизионных трактов обычно луч ше 0,02%. В свою очередь, величина ИНЛ для унифици рованных трактов регистрации составляет, как правило, около 0,5%.
Критерием гомогенности или равномерности каналов является ДНЛ. Она характеризует относительное откло нение их ширины от среднего значения. По величине дан ный параметр несколько больше ИНЛ, и у лучших изме рительных трактов составляет 0,5%. Типовое значение ДНЛ 1,5% для обычных трактов измерения. Важно от метить, что электронные средства, с помощью которых измеряются данные параметры, а это различные структу ры ГБС, должны иметь ИНЛ и ДНЛ по крайней мере в 3 раза лучше, чем в прецизионном тракте измерений.
Рассмотрим схему генератора белого спектра. Один из его вариантов представлен на рисунке 74. Основной его частью является генератор линейно изменяющегося на пряжения (ГЛИН), состоящий из управляемого интегра тора (УИ) на основе операционного усилителя (ОУ) со схе мами коммутации S1 и S2. Пилообразное напряжение со схемы УИ через буферный каскад (БК) и схему линейного пропускания (СЛП) передается на выход ГБС.
В исходном состоянии каскад СЛП закрыт и сигналы на его выходе отсутствуют. Следующие с частотой от 0,1 до 30 кГц импульсы задающего генератора (ЗГ) открыва ют каскад СЛП, на выход которого проходит сигнал со схемы ГЛИН. Длительность выходных сигналов ГБС за дается и регулируется с помощью схемы одновибратора (ОДН). На выходе СЛП выделяется последовательность положительных импульсов.
Естественно, что их амплитуда будет пропорциональ на в каждый момент времени напряжению на выходе схе