Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

ный импульс тока. Источник тока ИТ задает величину порогового тока iп, которая равнозначна пороговому уров ню, т. е. уровню дискриминации. В исходном состоянии этот ток iп протекает через другой диод VD2, а диод VD1 находится в закрытом состоянии.

При поступлении входного сигнала появляется вход ной ток iвх, который будет уменьшать ток через диод VD2. Далее, при iвх iп, ток в точке А (рис. 14) меняет направ ление и течет уже в усилитель У через открытый диод VD1. Переключение токов происходит без изменения разности потенциалов обоих диодов VD1 и VD2. При этом в схеме отсутствуют всякие переходные процессы, связанные с перезарядом ее паразитных емкостей.

Данная ситуация, в свою очередь, способствует пере даче входного сигнала с достаточно приемлемым быстро действием. Выходной усилитель У обеспечивает необхо димый коэффициент усиления для части входного сигна ла, которая превышает установленный уровень порога. Поскольку уровень дискриминации в представленной схе ме ограничения задается в виде тока, то ее нередко назы вают еще токовым дискриминатором.

Пороговые усилители в амплитудном измерительном канале размещают и обычно включаются сразу за спект рометрическим усилителем. Их применение решает две основные задачи. Во первых, экспандирование (растяже ние) части спектра, которая может быть представлена и рассмотрена более детально. Во вторых, снижение мерт вого времени регистрации, т. е. повышение ее скорости.

4.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ПРИ ИХ ОДНОВРЕМЕННОЙ ЗАДЕРЖКЕ

В экспериментальных исследованиях нередко возни кает ситуация, когда необходимо согласование соотноше ния между сигналами по времени. При этом выделяют и фиксируют какой либо признак в виде сигнала, чтобы осу ществлять регистрацию или ее запрет, если условия экс перимента не выполняются. В этом случае для принятия

решения необходимо время, которое обычно получают путем задержки регистрируемого сигнала. Данную функ цию выполняют электронные средства, получившие на звание усилители линейной задержки сигналов, которые будут рассмотрены далее.

Своеобразие такой электронной техники состоит в со хранении линейного коэффициента передачи сигнала с ее входа на выход. Кроме того, задержка поступающих сиг налов, определяемая лишь целями эксперимента, долж на регулироваться и изменяться исходя из условий ре шаемой измерительной задачи. Диапазон перемены вели чины задержки, который обеспечивает большую часть измерений, обычно составляет несколько микросекунд.

В качестве задержки в составе этих электронных уст ройств используются искусственные линии задержки (ИЛЗ), о которых уже говорилось ранее. Они обеспечива ют достаточную стабильность во времени. Вместе с тем, обладая довольно таки высоким волновым сопротивлени ем, что характерно для линий задержки с сосредоточен ными параметрами (несколько сот Ом), их включение име ет некоторые особенности.

Во первых, все они должны быть согласованы. Выво ды ИЛЗ должны быть нагружены, т. е. подключены к ха рактеристическому волновому сопротивлению, чтобы из бежать отражений сигналов. Во вторых, задержка одной ИЛЗ, как правило, не превышает двух микросекунд, по этому в этих целях используют обычно несколько ИЛЗ, включенных последовательно. Связь между ними осуще ствляется, как правило, через промежуточные каскады усиления.

Сигналы на выход с этих ЛЗ передают через усили тельный каскад с низким выходным сопротивлением. Ве личина задержки выходных сигналов в этих усилителях изменяется ступенчато, с фиксированным шагом. Число таких ступеней или шагов ранее не превышало 3–5, в по следних разработках доходит до десятка и более. Схема усилителя такого назначения приведена на рисунке 15.

С помощью устройства ПП (переключатель полярно сти) выбирают и устанавливают необходимый ее вид с уче

Рис. 15

Схема усилителя с линейной дискретно изменяемой задержкой выходного сигнала:

ВК — выходной каскад; ИЛЗ — искусственная линия задержки; КУФ — кас кад усиления и формирования; ПП — переключатель полярности входного сигнала; УК — усилительный каскад; S — переключатель.

том входных сигналов. Две группы, а иногда и более, регу лируемых ИЛЗ1 и ИЛЗ2 увеличивают диапазон измене ния задержки выходных сигналов, обеспечивая большую гибкость выбора ее величины. Усилительные каскады (УК, КУФ, ВК1 и ВК2) позволяют подобрать и установить нужный коэффициент усиления. Его можно изменять в пределах от единиц до нескольких сот и более, включая еще и плавную его регулировку. Устройства коммутации, установки и выбора величины коэффициента усиления на рисунке 15 не показаны.

Два переключателя S1 и S2, если они находятся в ниж нем положении, позволяют получать выходные сигналы усилителя практически без задержки. Верхнее положение обоих переключателей (рис. 15) обеспечивает изменение задержки выходных сигналов усилителя от минимума до максимума. Использование двух независимых каскадов ВК1 и ВК2 в составе таких структур делает возможным получение выходных сигналов обоих видов. Один из них, а именно ВК1, усиливает и выделяет выходные сигналы положительной полярности. Другой выходной каскад ВК2 формирует биполярные выходные сигналы, применяемые в спектрометрии.

Выходные сигналы усилителя имеют традиционную, общепринятую форму. Это характерно практически для всех усилителей, осуществляющих линейную дискретно из меняемуюзадержкувыходныхсигналов.Помимоэтого, дан ные структуры выполняют еще функцию формирующих

устройств. Более того, эти устройства можно использовать для задержки не только аналоговых, но и логических сиг налов. Данный факт, помимо целевого назначения таких устройств, нередко используется фирмами производите лями этих структур в рекламных целях.

Сфера применения данной усилительной техники в амплитудном анализе весьма многогранна. Ее используют для суммирования аналоговых сигналов. Без нее крайне трудно, а иногда и невозможно решать вопросы линейно го отбора событий в эксперименте. Реализация задержки не только аналоговых, но и логических сигналов расши ряет область применения этой техники. Она отчасти ис пользуется для организации режимов совпадений и анти совпадений при амплитудном анализе. Схемы совпадений микросекундного диапазона работают лишь с сигналами положительной полярности. Усилительная техника тако го назначения выпускается рядом зарубежных фирм. Диа пазон задержки входных сигналов можно изменять в пре делах от 0 до 4,0 мкс.

4.3. РАСШИРИТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ

С ЛИНЕЙНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Сигналы детекторов хотя и различаются по виду и фор ме, но все они весьма малы по амплитуде. Устройства уси ления, увеличивая их значение, должны решать такую задачу с минимальным уровнем искажений формы детек торных сигналов. Однако, как показывает практика из мерений, форма этих сигналов не отвечает критерию оп тимальности при их регистрации. Импульсы детекторов обычно имеют быстрый фронт и медленный спад разных экспонент, а иногда эти сигналы имеют колоколовидную форму. Это создает проблемы оптимальной их обработки при спектрометрии ионизирующих излучений на основе амплитудного анализа.

Упомянутые формы импульсов, как правило, ведут к ухудшению параметров регистрируемых амплитудных

спектров. В них наблюдается главным образом снижение разрешения, а также рост нелинейности преобразования. Было установлено, что основные параметры зарегистри рованных спектров повышались, т. е. уменьшалась их не линейность и повышалось разрешение, если цифровой код преобразованных амплитуд получали из сигналов с плос кой вершиной при длительности 0,5–5 мкс. При такой ситуации использованная форма положительных сигна лов способствует росту качества экспериментальных ис следований.

Эти сигналы формируются специальными электрон ными устройствами. Они получили название «линейные расширители импульсов», которые относятся к широко применяемым структурам аналогового типа. Эти устрой ства, выполняя заданную функцию, обеспечивают и со храняют однозначную связь между амплитудой выходно го сигнала и энергией частицы, которую она утрачивает в материале детектора при регистрации.

Более того, как показывает практика измерений, та кое формирование создает удобную ситуацию и улучшает условия при непосредственном сравнении амплитуд им пульсов одного или нескольких источников сигналов. Важно отметить, что в составе линейных расширителей импульсов наряду с усилительными каскадами нередко используются устройства ослабления сигналов. Таким об разом, обеспечивается возможность регулировки коэффи циента передачи измерительного тракта, создавая благо приятные условия для измерений с помощью такой тех ники.

Работу этих устройств понять несложно, поэтому нуж но рассмотреть лишь функционирование их главного зве на. Это каскад расширения сигналов (КРС). Он состоит из аналогового элемента памяти и схемы его заряда. Конден сатор С является таким элементом, а диод VD выполняет функцию схемы заряда. В состав устройства КРС входит ключ Кл, управляемый внешним сигналом. К выходу КРС подключен усилительный каскад УК, образуя схему ли нейного расширителя импульсов.

Рис. 18

Схема устройства выборки и хранения (УВХ):

БК — буферный каскад; Кл — ключ; ОУ — операционный усилитель; С — кон денсатор.

ройство выборки и хранения (УВХ). Схема служит для запоминания уровня сигнала, поступившего на ее вход.

Элементом памяти аналогового типа в ее составе слу жит конденсатор С. Два операционных усилителя ОУ1 и ОУ2, входящие в схему УВХ, являются повторителями напряжения и соединены последовательно. Выход ОУ1 через замкнутый ключ Кл подключен к конденсатору С и входу другого ОУ2, выходной сигнал которого повторяет все изменения входного. Через схему буферного каскада БК осуществляется управление состоянием ключа Кл. Схема УВХ приведена на рисунке 18.

Процесс слежения за входным сигналом соответству ет режиму выборки. Сигнал, поступивший на вход схемы буферного каскада БК, размыкает ключ Кл, переводя схе му УВХ в режим хранения. Конденсатор фиксирует вход ной уровень, адекватный моменту поступления сигнала на схему БК, и удерживает его в течение длительности сигнала. Его снятие вновь переводит схему в режим вы борки.

Развитие средств ядерной электроники сняло злобо дневность вопросов линейного расширения сигналов в ядерной физике. Однако для нелинейной оптики и лазер ной техники интерес к этим проблемам сохраняется. Про цессы в них протекают в нано и субнаносекундных диа пазонах, что объясняет устойчивую тенденцию дальней шего совершенствования быстрых схем УВХ.

4.4.

ЛИНЕЙНОЕ СУММИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Данная форма обработки аналоговых сигналов, полу чаемых со всего многообразия детекторных устройств, относится к одному из частных случаев их линейного пре образования. Несмотря на определенную стандартность ряда схемотехнических решений, используемых в таких устройствах, с их помощью получают ответы на значимый перечень задач, возникающих в ходе измерений. Такая ситуация весьма характерна для амплитудного анализа.

Реализация такой формы преобразования почти все гда связана с линейным алгебраическим суммированием сигналов, с согласованием их полярности. Она ведет к пре образованию импульсов тока в сигналы напряжения, к их усилению и т. д. Это имеет важное значение не только для спектрометрии ионизирующих излучений на основе амп литудного анализа, но и для организации и проведения экспериментальных исследований в целом.

При изучении энергоугловых корреляций ядерных излучений не редко применяются разные виды телеско пических детекторных систем. Они, как правило, «мно гоплечные», где каждое «плечо» — это телесный угол в пространстве, выделяемый по крайней мере двумя детек торами, размещенными друг за другом. В первом из де текторов регистрируемая частица теряет малую, весьма незначительную часть своей энергии. Основные же ее по тери происходят в следующем, втором, детекторе.

Для получения информации о полной энергии части цы, которая уносится ею в данном направлении, оба де текторных сигнала суммируются. Аналогичная детектор ная система может располагаться на другом телесном угле. Складывая суммарные сигналы обоих «телескопических плеч», получают исходную энергию такого генетически обусловленного ядерного процесса. Среди других детек торных устройств, в которых необходимо суммирование сигналов, можно назвать многослойную камеру деления. В экспериментах с камерами такого вида часто использу ются различные варианты методик по времени пролета.