Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

паузу от момента выключения питания предусилителя. Прежде чем прикоснуться к его корпусу, через резистор 100–300 кОм «разрядитесь», дотронувшись им до земля ной шины, т. е. снимите с себя статическое напряжение. Подавать на детектор высокое напряжение, а также сни мать его надо весьма плавно, без резких скачков. Скорость изменения напряжения не должна превышать 200 В/мин.

Все выдержки во времени связаны с большими номи налами ограничительных резисторов, т. е. их величина ми, а также емкостями фильтров и наличием разделитель ных конденсаторов во входных цепях. Следует помнить, что любая коммутация без снятия всех напряжений с за рядочувствительного предусилителя ведет, как правило, к выходу его из строя, т. е. к утрате устройства. Восста новление его работоспособности — достаточно сложная задача, и достижение при этом высоких параметров будет весьма проблематично.

3.5. СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ —

ОСНОВНОЕ ЗВЕНО АМПЛИТУДНОГО АНАЛИЗА

Электронные средства данного назначения являются основой амплитудных измерительных каналов в составе спектрометров ионизирующего излучения. С их помощью регистрируется распределение детекторных сигналов в виде амплитудного спектра. Выделенный предусилителем сигнал детекторного устройства по кабельной линии связи передается и поступает на основной усилитель для после дующего этапа его линейной обработки (см. рис. 3). Такая значимая операция выполняется устройствами, причис ленными специалистами к особой категории усилителей. Она получила название спектрометрические усилители.

Такие электронные структуры относятся к основным устройствам усиления. Они ориентированы на решение широкого круга экспериментальных задач в ядерной физи ке, включая ее многочисленные смежные области. Важно заметить, что спектрометрические усилители не должны

зависеть от вида детекторных устройств, в составе изме рительных каналов которых они используются. Данная индифферентность в первую очередь предполагает, что спектрометрический усилитель призван обеспечить над лежащий уровень параметров всех без исключения про порциональных детекторов.

В этих детекторах, как известно, имеет место линейная зависимость амплитуды сигналов, которая получается в результате потери энергии частицами при их регистрации. Среди основных задач, решаемых с помощью данной раз новидности электронной техники, необходимо выделить следующие:

дальнейшее усиление сигнала в диапазоне 0–10 В;

дополнительное формирование сигналов детектора;

повышение и улучшение отношения сигнал/шум. Индифферентность в определенной мере должна прояв

ляться и к диапазону энергий регистрируемых частиц. Она обеспечивается и реализуется главным образом ступенча той регулировкой усиления, за счет применения аттенюа торов, т. е. делителей напряжения на входе усилителя. Поскольку усилители данного вида являются по своей структуре многокаскадными, то при ослаблении входных сигналов создаются условия для снижения степени пере грузки его последних каскадов.

Однако при высокой степени усиления шум резисторов делителя напряжения вносит значительный вклад в общую шумовую составляющую канала регистрации. В дальней шем такой делитель был исключен из измерительной цепи. Действительно, в последних моделях спектрометрических усилителей функцию аттенюатора выполняет уже опера ционный усилитель с дискретным характером изменения в нем обратной связи. Это позволило в значительной мере снизить шумовую составляющую измерительной цепи и повысить отношение сигнал/шум в электронных струк турах данного вида.

Входные цепи спектрометрического усилителя, как и первый каскад его усиления, должны быть малошумящи ми, чтобы не снижать и не ухудшать энергетическое разре шение. Это крайне важно, так как коэффициент усиления

в нем регулируется в достаточно широких пределах: от 1 и почти до 104. Вместе с тем каскадам усиления нужно иметь весьма существенный динамический диапазон. Кро ме того, эти каскады должны отличаться весьма «коррект ным» поведением во время перегрузок. В таких ситуаци ях усилитель должен обладать малым временем восста новления своей работоспособности.

Более того, в режимах перегрузки данное электронное средство должно иметь минимальные изменения своего исходного нулевого уровня и обладать при этом способ ностью достаточно быстрого его восстановления. Необ ходимо отметить крайне жесткие требования, которые предъявляются и накладываются на линейность и долго временную стабильность коэффициента усиления. Высокое разрешение аналого цифровых преобразователей (12–14 двоичных разрядов) в системах накопления и обработки данных (см. рис. 3) требует таких же значений их пара метров. Необходимо обеспечить линейность лучше, чем 1 10–4, а стабильность — не хуже 1 10–5.

Наряду с представленными и рассмотренными неко торыми из параметров следует обратить внимание на тот факт, что усилители этого вида должны обладать широ кой полосой пропускания. Это необходимо для коррект ного воспроизведения сигналов детектора во всем диапа зоне частот. В ряде случаев их верхний диапазон доходит до 1 109 Гц. Полоса пропускания усилителей должна ре гулироваться, чтобы имелась возможность оптимизации отношения сигнал/шум. Характерно, что оптимизация полосы пропускания обеспечивается схемами линейного формирования.

Само собой разумеется, что нельзя упускать из виду требование независимости усиления в широких пределах изменения интенсивности поступления событий по входу усилителя. Диапазон изменений интенсивности лежит в пределах от нескольких герц до десятков мегагерц. Случай ный характер появления событий с детекторных устройств, что является, по сути, главной формой их проявления, еще больше усугубляет ситуацию и заведомо создает опреде

В этом случае параметры выходного сигнала после фор мирования будут иметь вид, представленный на рисунке 9. Фронт сигнала составляет ~ 1,2 , а его спад равен ~ 5,8 . Таким образом, весь сигнал на выходе полностью закон чится спустя ~ 7 . Данный метод формирования аналого вых сигналов известен как однократное дифференциро вание и интегрирование.

Не составляет труда понять, что в усилителе, выбирая и устанавливая независимо постоянные времени интегри рования и дифференцирования, можно корректировать и изменять полосу пропускания в достаточно широких пре делах. В таком случае становится возможным задавать и целенаправленно изменять частотные характеристики усилительного тракта спектрометрической установки. Варьируя и подбирая параметры таких цепочек, создают условия для оптимального формирования сигналов.

Это обеспечивает, с одной стороны, возможность под бора и установки корректного соотношения сигнал/шум, а с другой стороны, достижения и получения весьма высо кого разрешения всего спектрометрического тракта в це лом. Необходимо заметить, что разрешение можно конт ролировать в ходе измерений как ширину на полувысоте регистрируемых пиков в амплитудном спектре, которые связаны с регистрацией моноэнергетических частиц.

Если каждую из формирующих цепочек такого типа отделять друг от друга линейным каскадом усиления, то можно реализовывать разнообразные варианты линейно го формирования. Именно в таком виде применяется двой ное дифференцирование или используется двойное интег рирование. Так, например, при двойном дифференциро вании к выходу интегрирующей цепочки (рис. 9) через усилительный каскад просто подключается еще одна диф ференцирующая цепочка. Величину постоянной времени для нее можно выбрать либо равной первой цепочке, либо больше или меньше ее.

Если постоянную времени второй дифференцирующей цепочки уменьшить относительно первой, то, подобрав ее ве личину, можно добиться почти биполярной формы выход ного сигнала. Данная форма сигнала не будет оказывать

влияния на состояние нулевой линии при высоких за грузках. Проходя через разделительный конденсатор, сиг нал такой формы практически не оставляет на нем заря да. В такой ситуации без каких либо дополнительных схем создаются условия и устраняются флуктуации ис ходного нулевого уровня спектрометрического тракта.

В заключение следует заметить, что с появлением вы сококачественных операционных усилителей (ОУ) успеш но была решена целая совокупность вопросов и проблем в этой области. Прежде всего такие усилители стали основ ными каскадами усиления в самих спектрометрических усилителях, кроме того, ОУ вошли в различные структу ры активных фильтров. В их составе широко используют ся комбинированные и независимые времязадающие це почки разных видов, которые включены в петлю обрат ной связи самих ОУ. Применение активных фильтров в составе спектрометрических усилителей позволило в су щественной мере повысить энергетическое разрешение спектрометров.

3.7.

ЛИНЕЙНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ

Наряду с дифференцирующими и интегрирующими цепочками типа СR и RС в практике линейного формиро вания аналоговых сигналов достаточно масштабно исполь зуются структуры на основе линий задержки (ЛЗ). При менение таких линий обеспечивает запаздывание входных сигналов, т. е. осуществляется их задержка во времени, без изменения самой формы сигнала. Они относятся к ка тегории линейных пассивных элементов.

Считается, что проблемы амплитудного анализа, свя занные с разными вариантами линейной обработки сиг налов, лежат главным образом в микросекундной области. В этом диапазоне частот и времени находятся основные экспериментальные задачи, обусловленные проблемами ядерной физикой низких и средних энергий. С данным диапазоном будут связаны методы линейной обработки

детекторных сигналов, среди которых отметим усиление, линейное формирование, задержку, а также другие изме нения их параметров электронными средствами такой на правленности.

Известно, что наиболее широкополосным устройством задержки является коаксиальный радиочастотный ка бель. Для него характерны погонная индуктивность L и погонная емкость С. Эти параметры соответствуют кабе лю метровой длины и, в свою очередь, связаны с его вол новым сопротивлением . Волновое сопротивление коак сиального кабеля равно

1 2 L/C.

Величина этого параметра для различных кабелей та кого вида лежит в пределах = 50–150 Ом. Средняя за держка зр распространения сигнала в них составляет око ло 5 нс/м.

Ясно, что задержки на основе коаксиальных кабелей из за габаритов практически неприменимы для амплитуд ного анализа. В самом деле, для микросекундной задерж ки нужно ~ 200 м кабеля. Хотя существуют специальные кабели, длина которых при микросекундной задержке сиг нала всего несколько метров, размеры остались главным препятствием их применения. Решением вопроса стали искусственные ЛЗ (ИЛЗ) с приемлемыми габаритами. Их основу составляют LС цепочки, залитые компаундом, раз мером [(12 50 5)–(20 120 5)] мм и выводами от каждой цепочки или их группы.

В состав ИЛЗ входят одинаковые последовательно со единенные LС звенья Г образного типа. Такая же струк тура служит основой других звеньев типа П и Т, которые также используются в ИЛЗ. Каждое Г образное звено со стоит из катушки индуктивности L и конденсатора С. Между собой они включены последовательно. Начало ка тушки следующего звена соединяется с концом катушки предыдущего звена. Точка их соединения через конденса тор подключена к общей шине. Такой набор последова тельно включенных индуктивных элементов, где точки