Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

схема относится к категории линейных устройств форми рования однополярных сигналов (ЛУФОС).

Сигнал на выходе выделяется сразу после поступления его с выхода схемы НК. Он удерживается в течение време ни t до появления задержанного инвертированного сиг нала на другом входе суммирующего усилителя. В резуль тате сложения двух одинаковых, но противоположных по полярности сигналов на выходе суммирующего каскада фиксируется нулевой результат. Действительно, в резуль тате операции суммирования на выходе такого линейного формирующего устройства получают выходной сигнал фиксированной длительности величиной t. Кроме этого, его амплитуда будет однозначно связана с амплитудой входного сигнала.

3.8.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ БИПОЛЯРНЫХ СИГНАЛОВ

В практике измерений широко используется еще один вариант линейной обработки детекторных сигналов, из вестный как метод формирования биполярных сигналов с помощью ИЛЗ. Для формирования биполярного линей ного сигнала можно использовать еще одну аналогичную схему ЛУФОС, подключенную последовательно с первой. В результате такой комбинации образуется новое устрой ство линейного формирования биполярного сигнала. На его выходе выделяется сигнал данной формы, но его дли тельность равна 2 t. Схема и временные диаграммы, по ясняющие функционирование формирующего устройства, представлены на рисунке 11.

Следует заметить, что одна из основных задач, которую приходится решать разработчикам таких схемотехниче ских решений, заключается в корректном согласовании волновых сопротивлений используемых ИЛЗ в составе та ких схем. Учитывая достаточно значительную величину их задержки, отмеченную несколько ранее, следует обо значить еще один аспект. Наряду с последовательным ва риантом согласования (как показано на обоих рисунках) широко используется параллельное согласование, но уже

Рис. 11

Схема формирования биполярных сигналов (а) и временные диаграммы ее работы (б):

ИК — инвертирующий каскад; t — искусственная линия задержки; НК — неинвертирующий каскад; ус — суммирующий каскад.

на конце искусственной линии задержки. Для амплитуд ного анализа с выхода биполярного устройства формиро вания первой всегда приходит положительная составляю щая сигнала.

Способы формирования с помощью линий задержки как однополярных, так и биполярных сигналов весьма широко применяются в ядерной электронике. Электрон ные средства данного назначения масштабно используют ся в спектрометрии в составе амплитудного анализа. Это обусловлено в первую очередь тем, что линейное форми рование сигналов такого вида позволяет достаточно кор ректно решать проблемы измерений при высокой интен сивности поступления детекторных сигналов.

3.9. СТРУКТУРА, СОСТАВ

И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ

Линейные усилители данного назначения масштабно применяются в измерениях параметров ионизирующих излучений при амплитудном анализе. Как уже отмеча лось, особенность таких электронных устройств состоит в том, что их основной параметр в виде коэффициента уси ления должен выбираться и устанавливаться в пределах

от единиц до нескольких тысяч. Обеспечить столь высо кие значения параметра при весьма внушительном диа пазоне изменения его величины возможно при условии, что усилитель будет многокаскадным.

Такая структура спектрометрического усилителя созда ет условия для достижения высоких параметров. С этой целью в каждом усилительном каскаде широко применя ются различные варианты отрицательной обратной связи (ООС). Широко используется как «местная» ООС в усили тельных каскадах, так и общая ООС. Такая связь служит гарантией получения и достижения высоких параметров как в самих усилительных каскадах, так и всего спектро метрического усилителя в целом. Это относится прежде всего к коэффициенту усиления, его стабильности, линей ности, включая при этом низкое выходное сопротивление оконечных, выходных каскадов усилителя.

Рассмотрим обобщенную функциональную схему ти пового спектрометрического усилителя (СПУ). Это позво лит более четко понять и объяснить ряд положений, свя занных с использованием электронных средств данного назначения. Его схема приведена на рисунке 12.

Рис. 12

Функциональная схема спектрометрического усилителя:

ВИУ — схема восстановления исходного уровня; ВК1 — выходной каскад фор мирования и усиления однополярного сигнала; ВК2 — выходной каскад уси ления биполярного сигнала; КЦФ — схема коммутации цепей формирования; ПП — переключатель полярности входного сигнала; РКУ — регулировки ко эффициента усиления; УК1–УК4 — усилительные каскады; ФЦ — формирую щие цепи биполярного сигнала; ЦФ — цепи формирования сигналов.

Переключатель полярности (ПП) входного сигнала расширяет возможности СПУ, позволяя подачу сигналов как положительных, так и отрицательных. Сигналы, по ступающие с предусилителей, не являются оптимальны ми по форме для амплитудного анализа. Они имеют быст рый фронт и достаточно медленный спад. Этот аспект, обусловленный формой сигнала, является причиной на ложений, что ведет к перегрузке канала измерения.

В схемотехнике СПУ используются различные цепи формирования (ЦФ), разделенные усилительными каска дами. В ЦФ применяются дифференцирующие и интегри рующие цепочки. Эти пассивные элементы сохраняют линейность, устраняют медленный спад, создавая необ ходимый уровень на выходе СПУ. В схемах ЦФ использу ются схемы компенсации полюса нулем, двойного интег рирования и дифференцирования, активные фильтры, схемы формирования на искусственных линиях задерж ки с сосредоточенными параметрами и т. д.

Подбором формирующих цепочек добиваются улучше ния соотношения сигнал/шум. Дифференцирующие СR це почки ограничивают диапазон частот снизу, снижая вклад низкочастотных составляющих. Интегрирующие RС це почки урезают диапазон частот сверху, снижая вклад вы сокочастотных составляющих. Эти формирующие цепи, являясь частотными фильтрами, обеспечивают оптималь ное отношение сигнал/шум, уменьшая вклад обеих его составляющих.

Для получения максимальной амплитуды сигнала постоянную времени дифференцирования выбирают боль ше времени нарастания фронта входного сигнала. С точ ки зрения «наложения» импульсов их длительность долж на быть минимальной, но это не соответствует надлежа щей фильтрации с точки зрения шума. Использование биполярных выходных сигналов тоже не является опти мальным по шумовой составляющей, но успешно решает проблему устойчивости выходного уровня СПУ при емко стных связях. В этих целях в состав усилителей дополни тельно вводят схемы восстановления исходного уровня (ВИУ).

Выбор параметров формирования на практике явля ется компромиссом между всей совокупностью проблем. В СПУ характеристики интегрирования и дифференциро вания можно подбирать независимо друг от друга, и их оптимальное значение определяют и устанавливают экс периментально. Получают характерный параметр, назы ваемый оптимальным временем формирования (ОВФ). Именно это время овф рекомендуется специалистами для практического использования с различными пропорцио нальными детекторами.

Для детекторов следующих видов рекомендовано:

сцинтилляционныескристалломNa(J) овф ~ 0,5–1,5мкс;

газовые, пропорциональные счетчики овф ~ 0,5–5,0 мкс;

барьерные полупроводниковые детекторы овф ~ 1,0– 2,0 мкс;

полупроводниковые Ge(Li) детекторы овф ~ 1,0–5,0 мкс. Проблема высокой стабильности параметров СПУ обес

печивается высокими характеристиками элементной базы в составе схем УК, ЦФ, делителях и т. д. Конденсаторы, резисторы, линейные интегральные схемы и другие ком поненты в СПУ должны слабо зависеть от изменения как внутренних, так и внешних факторов. Достижение высо ких параметров измерительных трактов спектрометров энергий при амплитудном анализе связывают с примене нием аналоговых процессоров. Однако СПУ не утратили своих позиций в практике измерений основных парамет ров ядерных превращений. В таком случае будет уместно рассмотреть основные характеристики стандартного СПУ, демонстрирующие весьма высокий уровень параметров техники усиления данного вида (табл. 1).

Усилители данного назначения используются при ам плитудном анализе, увеличивая входные сигналы в диа пазоне от нескольких милливольт до 10 В. Имея высокую линейность, хорошее отношение сигнал/шум, оптималь ное формирование с требуемым уровнем фильтрации, они обеспечивают высокое энергетическое разрешение изме рительного тракта. При высоких скоростях счета событий для снижения наложений, искажающих регистрируемые спектры, длительность их выходных сигналов должна

быть минимальной, что ведет к ухудшению разрешения. Современные спектрометрические усилители при загруз ках вплоть до 10 000 с–1 не снижают разрешения тракта, при 90 000 с–1 происходит лишь небольшое его ухудшение.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Базовые методы обработки детекторных сигналов и цель их реализации.

2.Почему существуют проблемы непосредственного использова ния детекторных сигналов?

3.Назначение предусилителя, его дислокация в измерительном тракте. Какие задачи решаются с его помощью?

4.Основные виды усилительных устройств, применяемых в экс периментальных исследованиях ядерной физики.

Г Л А В А 4

ЛИНЕЙНЫЕ СХЕМЫ И ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ОТБОРА ДЕТЕКТОРНЫХ СИГНАЛОВ

Электронные средства данного назначения в суще ственной мере расширяют сферу применения линейных методов обработки детекторных сигналов. При использо вании такой разновидности техники в ее выходных сиг налах сохраняется информация о потерях частицами энер гии в детекторном устройстве. Утрата энергии, как уже отмечалось, связана с амплитудой выходного сигнала детек тора. В амплитуде всех выходных сигналов, которые выде ляются устройствами данного назначения, в той или иной форме содержится информация о величине этих потерь.

4.1. ПОРОГОВАЯ ТЕХНИКА УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

В практике амплитудного анализа наряду с различны ми видами предусилителей, а также спектрометрических усилителей широко используются электронные средства линейного преобразования и обработки детекторных сиг налов. Эта электронная техника существенно расширяет сферу применения амплитудного анализа и методов изме рений на его основе. Такая тенденция остается характер ной для различных фундаментальных и прикладных ис следований в ядерной физике и смежных областях.

Особое место среди электронных средств данного назна чения занимает пороговая техника усиления детекторных сигналов. Данный вариант техники усиления обладает при мечательной особенностью — для всех сигналов, амплитуда которых ниже установленного уровня Uп, коэффициент