Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ СТАНДАРТА NIM

Самым быстродействующим элементом во время при нятия стандарта NIM (1966) был туннельный диод, кото рый широко использовался в составе формирующих и ло гических устройств. Для питания этих диодов были спе циально введены источники 3 В. Помимо них, в состав силовой части стандарта вошли уровни питания 6 В,12 В, 24 В. Здесь же были две земляные шины и две шины сети (переменное напряжение питания ~ 115 В, стан дарт США).

Всчетных модулях для питания различных цифровых индикаторов тлеющего разряда или им подобных исполь зовали напряжение +200 В. В основном разъеме каркаса, согласно стандарту NIM, вначале были задействованы 13 контактов. По мере замены туннельных диодов на бы

стродействующие интегральные схемы серии ЭСЛ (эмит терно связанная логика) источники напряжений 3 В уб рали. Сейчас устанавливаются только 11 контактов разъе ма каркаса.

Вответных частях разъемов, закрепленных на моду лях, оставлены лишь контакты, связанные с напряжени ями питания, которые используются в модуле. Другие контакты в таком разъеме исключаются, и на их месте остаются лишь пустые отверстия. Позади каркаса распо лагается его универсальный источник питания. Состав источников в нем может отличаться от стандартного их

перечня. Например, в нем могут отсутствовать источники напряжения 12 В.

Вкачестве примера можно рассмотреть унифицирован

ный блок питания, выполненный в стандарте NIM фирмы ORTEC типа 4002D. Его габариты 432 269 89 мм (шири на, глубина, высота) и вес более 11 кг. Он выдает 6 В по 10 А; 12 В по 3 А; 24 В по 1,5 А, а также сетевое напря

жение ~ 115 В по 0,5 А. Долговременная стабильность для всех источников напряжений каркаса не хуже 0,5%.

Существуют специальные источники, где использует

ся другая комбинация напряжений. В них могут отсут ствовать, к примеру, 6 или 12 В, а также +200 В. Высо

ковольтные источники питания детекторов в стандарте NIM выполнены отдельными модулями (1М или 2М). Диа пазон изменения параметра лежит в пределах от 0 до 5000 В. Одни обеспечивают напряжение 0–1000 В, дру гие — 0–3000 В.

С помощью третьей группы модулей получают напряже ние в диапазоне от 0 до 5000 В. Более того, в одном модуле могут быть размещены два независимых источника высо кого напряжения. Данная ситуация характерна в основ ном для первых двух диапазонов от 0 до 3000 В. Все источ ники выдают напряжение обеих полярностей с возможно стью плавной регулировки и установки их величины.

СИГНАЛЫ СТАНДАРТА NIM

Впервые среди сигналов, применяемых в ядерной физике, стандарт выделил две основные группы. Одну из них составили линейные и логические сигналы микросе кундного диапазона. Они используются при изучении вза имодействий в физике ядра низких и средних энергий (< 30 МэВ). Другую группу образовали линейные и логи ческие сигналы наносекундного диапазона. Они, в свою очередь, получили название быстрые сигналы.

Характерно, что такие сигналы используются при изу чении процессов физики высоких энергий и физики эле ментарных частиц (> 30 МэВ). Однако сначала рассмотрим сигналы микросекундного диапазона. Стандарт NIM рег ламентирует базовые параметры аналоговых сигналов для амплитудного анализа. Они должны быть положительной полярности с амплитудой до 10 В и длительностью от 0,5 до 20 мкс (рис. 81а).

Можно использовать биполярные сигналы, что тоже допускается стандартом. Для них полная амплитуда бу дет уже 20 В, а также удвоенная длительность. Однако в этом случае сначала следует положительная составляю щая сигнала. Стандартом NIM установлены условия, что все аналоговые модули должны иметь входное сопротив ление ~ 1000 Ом.

Сигналы следует передавать через ВЧ разъемы типа BNC с волновым сопротивлением 50 или 92 Ом с помощью

кабелей такого же волнового сопротивления. Рекоменду ется использовать лишь последовательное их согласова ние. Длительность однополярных сигналов около 1–2 мкс для амплитудного анализа стала унифицированной. Ее, как правило, задают и устанавливают посредством выбо ра параметров формирующих цепей в спектрометрическом усилителе. Форма и основные параметры сигналов, реко мендуемые стандартом, приведены на рисунке 81.

Логические сигналы составляют еще одну отдельную группу сигналов для микросекундного диапазона. Они используются при счете событий, в работе медленных схем совпадений, для управления линейными схемами пропус кания и т. д. Это сигналы (рис. 81в) положительной по лярности, фиксированной амплитуды ~ 10 В и длительно стью ~ 2 мкс.

Характерно, что типичная продолжительность сигна ла находится в пределах 0,5 мкс. Однако при связи по по стоянному току она может быть сколь угодно большой. Стандартом NIM допускаются уровни логической едини цы для всех входных сигналов +3 В «1» +12 В. В свою очередь, этот же уровень для выходных сигналов может изменяться в диапазоне +4 В «1» +12 В.

В таком случае, уровень логического нуля для вход ных сигналов будет +1 В «0» –2 В. Данный уровень для

Рис. 81

Форма и основные параметры сигналов для микросекундного диапазона, рекомендуемые стандартом NIM:

а — однополярные сигналы и их параметры (обычные и сформированные); б — биполярные сигналы и их параметры (обычные сформированные); в — логиче ские сигналы и их параметры, а также минимальные значения логических уров ней на входах и выходах всех измерительных модулей.

выходных сигналов изменяется в диапазоне +1,5 В «0»–2 В. Все логические уровни, в свою очередь, должны выделяться тоже на высокоомной нагрузке ~ 1000 Ом. Со единительные кабели, хотя они достаточно короткие, ра ботают без согласования на конце. Однако, согласно поло жениям стандарта NIM допускается их последовательное согласование.

СИГНАЛЫ СТАНДАРТА NIM НАНОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

Стандарт регламентирует базовые параметры как ли нейных, так и быстрых логических сигналов, т. е. сигна лов наносекундного диапазона. Линейные быстрые сигна лы должны иметь отрицательную полярность, амплитуду от 0 до –1 В и длительность < 500 нс. Типовая длитель ность быстрых сигналов < 100 нс и фронтом в несколько наносекунд.

Допускается использование биполярных сигналов, в начале которых должна следовать отрицательная состав ляющая сигнала, а их длительность при этом удваивает ся. Форма и базовые параметры сигналов, предписывае мые стандартом, представлены на рисунке 82. Стандарт вводит быстрые логические сигналы для временного ана лиза в нано и субнаносекундных диапазонах (полярность, амплитуду и длительность).

Рис. 82

Форма и базовые параметры сигналов наносекудного диапазона, рекомендуемые стандартом NIM:

а — однополярные и быстрые сигналы (предписываемые и типовые); б — бипо лярные быстрые сигналы (предписываемые и типовые); в — быстрый логический сигнал, его параметры и минимальные значения логических уровней на входах и выходах измерительных модулей.

Их передача должна осуществляться согласованными на конце коаксиальными кабелями с волновым сопротив лением 50 Ом. Без согласования такие сигналы использо вать не рекомендуется. Токовые сигналы (16–20 мА) на 50 Ом нагрузке имеют амплитуду (0,8–1,0 В). Их выделя ют и принимают быстрые модули. Среди них следует от метить: быстрые дискриминаторы, быстрые схемы совпа дений, формирователи временной отметки и т. д.

15.4. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

СТАНДАРТА NIM

Стандарт стал важной вехой развития измерительной техники для ядерно физических исследований. В его осно ву положена концепция модульного принципа построения средств измерений. Это позволило независимо от фирмы производителя и места ее размещения использовать раз работанные в ней электронные модули в любом ядерном центре Европы или США.

Получило развитие и стал возможен обмен техниче скими средствами такого назначения между различными лабораториями и центрами ядерных исследований. От крылись новые перспективы в коллаборации ученых для рассмотрения проблем ядерной физики. Все это стимули ровалось необходимостью решения весьма сложных экс периментальных задач.

Стандартизированы уровни напряжений вторичных источников питания. Были унифицированы информаци онные параметры сигналов для организации и проведе ния амплитудного и временного анализа в физике низких и средних энергий. Они ориентированы на изучение про цессов и явлений, протекающих в микросекундной обла сти. Регламентированы основные параметры сигналов в физике высоких энергий, где процессы и взаимодействия проходят в наносекундном диапазоне.

Стандартом решены сложные задачи создания и ис пользования измерительных систем в ядерной физике. И все таки достижения и определенные успехи гораздо

ярче высветили его основные недостатки. Основной недо статок измерительных систем на его основе — наличие в них обособленных структур регистрации в виде многока нальных амплитудных анализаторов (МАА) и различных пересчетных устройств (ПСУ).

Одним из кардинальных ограничений стандарта счита ют его слабые возможности по кодированию и регистрации данных эксперимента. Как показала практика измерений, наиболее остро встала проблема передачи накопленных данных из МАА и ПСУ для дальнейшей их обработки. Для этих целей привлекаются средства вычислительной тех ники, т. е. ЭВМ. Передача экспериментальных данных для обработки на ЭВМ стала наиболее узким местом для всех экспериментов.

Применялись различные виды перфорирующих уст ройств, телетайпов и т. п. В ядерной физике, не говоря уже о физике высоких энергий, в существенной мере увели чился объем регистрируемой информации. Возрос инте рес к разным видам мультифакторного амплитудного и временного анализа. Потребовалась информация об энер гетических, угловых и временных распределениях ядер ных излучений, т. е. от различных вариантов многомер ных измерений.

Возникла необходимость организации различных ре жимов работы электронных средств в составе измеритель ных систем. Среди них отметим варианты совпадений и антисовпадений как в микросекундных, так и в наносе кундных диапазонах. Здесь же надо отметить все много образие счетных режимов и т. д. Возможности стандарта NIM стали неодолимой преградой для большинства таких случаев.

Во первых, в нем отсутствовали структуры преобразо вания аналоговой и счетной информации, получаемой в ходе эксперимента, в цифровой код. Во вторых, в стандар те NIM не было доступных форм и средств передачи, на копления и обработки получаемых данных. Эффективным решением этих проблем стал стандарт САМАС (Computer Application for Measurement and Control), т. е. примене ние ЭВМ для измерений и управления.

15.5. СТАНДАРТ САМАС

И ЕГО БАЗОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Стандарт, разработанный Европейским комитетом стан дартов по ядерной электронике ESONE (European Standard of Nuclear Electronics), был принят в 1969 г. Его основу составили самые прогрессивные на то время идеи. Одной из них был магистрально модульный принцип организа ции систем сбора и обработки данных эксперимента. Были созданы условия работы измерительных систем совмест но с ЭВМ в реальном масштабе времени.

Втакой системе ЭВМ управляет параметрами экспе римента и контролирует его ход, собирает эксперимен тальные данные, а также обрабатывает их по установ ленным программам. На примере амплитудного анализа установим сферу действия стандарта САМАС. Измеритель ная система приведена на рисунке 83. Важно отметить, что

всоставе измерительной системы появился ряд новых модулей (АЦП, СЧ и КК), которые выполнены в стандар те САМАС.

Всоставе предыдущего стандарта таких модулей еще не наблюдалось. Модуль АЦП измеряет и переводит амп литуду аналоговых сигналов в цифровой код. Информация

Рис. 83

Измерительная система для амплитудного анализа на базе стандарта CAMAC:

АЦП — аналого цифровой преобразователь; Д — детектор; ИД — интеграль ный дискриминатор; ИИИ — источник ионизирующего излучения; КК — конт роллер крейта; ЛВ — линейные ворота; ПРУ — предусилитель; СПУ — спект рометрический усилитель; Сч — счетчик.

тельного модуля может быть увеличена кратно М вплоть до 6М.

Если модуль состоит из нескольких плат, то его связь с контроллером крейта (КК) через магистраль должна про исходить через разъем самой крайней справа платы моду ля. Для установки модуля КК используются только две крайние справа станции крейта (24 и 25). Связь данного модуля с ЭВМ осуществляется через пару многоконтакт ных разъемов, расположенных на его передней панели (рис. 83).

В любой из станций (1–23) крейта размещаются другие измерительные модули. На их передних панелях находят ся специальные высокочастотные (50 Ом) разъемы типа LEMO МК 50В (гнездо). Они служат для приема и выдачи сигналов. Через разъемы осуществляется связь между модулями. С помощью коаксиальных кабелей (50 Ом), на концах которых находятся разъемы типа LEMO МК 50А (штекер), измерительные модули обмениваются необхо димыми сигналами.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ В СТАНДАРТЕ САМАС И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Источник питания, размещенный за магистралью крей та (рис. 84а), выдает обязательные уровни питания для измерительных модулей ( 6 В 25 А с нестабильностью

<0,5% и 24 В 6 А с нестабильностью < 0,15%). Допол нительные уровни питания ( 12 В 2 А с нестабильностью

<0,15%) создает специальный модуль двойной ширины 2М — преобразователь САМАС ( 24 В/ 12 В). Блок пита ния (БП) при габаритах 426 178 176 весит около 20 кг.

При отсутствии данного преобразователя в крейте на пряжения 12 В на его магистрали не будет. Включение, вы ключение, а также сигнализация о состоянии крейта осу ществляются с дополнительной вентиляционной панели. Она закрепляется снизу крейта. Два ее вентилятора обду вают блок питания, а два других охлаждают измеритель

ные модули. При малом числе модулей, т. е. при низкой мощности потребления ( 200 Вт), можно использовать панель без вентиляторов.

Индивидуальные провода для каждой величины и по лярности напряжения образуют шину питания крейта. Помимо этих шести проводов, имеются два провода «зем ля», два провода ~ 117 В, провод «чистая земля», два ре зервных и провод +200 В. Это напряжение рассчитано для питания элементов индикации, но практически не исполь зуется. Итак, 14 проводов в магистрали САМАС образуют шину питания крейта, занимающую нижние контакты его разъемов.

Для работы различных детекторных устройств необ ходимы высоковольтные источники питания. Эти источ ники в стандарте САМАС выполнены в виде модулей типа 2М–4М. Они обеспечивают напряжение обеих полярностей, величиной от 0 до 2500–5000 В. На передней панели та ких модулей устанавливаются специальные высоковольт ные разъемы типа LEMO для подачи высокого напряже ния на детектор.

Здесь же находятся органы управления величиной на пряжения и контрольный прибор. Напряжение регули руется ступенчато (100–200 В), а в этих пределах плавно. Более того, параметры высоковольтных источников мо гут регулироваться и устанавливаться программным пу тем. В таком случае органы управления на передней пане ли модуля отсутствуют.

СИГНАЛЫ СТАНДАРТА САМАС

Линейные аналоговые сигналы служат для измерения величины энергии излучений, т. е. для амплитудного ана лиза микросекундного диапазона. Они полностью соответ ствуют стандарту NIM (рис. 81а). Это сигналы положитель ной полярности с амплитудой до 10 В на входном импе дансе в 1 кОм и длительностью 0,5–20 мкс или биполярные (рис. 81б). Стандарт САМАС допускает использование та ких же сигналов, но с амплитудой 5 В. Требования к пара метрам всех сигналов наносекундного диапазона (как ли нейных, так и логических) полностью совпадают со стан дартом NIM (рис. 82).

Для всех логических сигналов микросекундного диапа зона в стандарте САМАС принята «отрицательная» логика,