16.5СХЕМА АНАЛИЗА СОВПАДЕНИЙ НА ОСНОВЕ СДВИГОВОГО РЕГИСТРА

16.5.1 Принцип работы сдвигового регистра

В предыдущем разделе упоминалось, что некоторые общепринятые схемы совпадений требуют значительных поправок на мертвое время электроники. Такая поправка требуется из-за того, что анализ совпадений начинается с приходом одного импульса в момент времени t=0 и продолжается до момента времени t = G, где G — ширина временных ворот. Если за время G произойдет n событий, первое из них запустит ворота, а остальные n-1 событий будут зарегистрированы. Вторые ворота не могут открыться, пока длится временной интервал G, что эквивалентно появлению мертвого времени такой же величины.

Альтернативный подход состоит в запоминании последовательности импульсов, приходящих за время G. В действительности, каждый импульс генерирует свои собственные ворота; нет необходимости ждать, пока закончатся одни ворота, перед тем как начнутся другие. Такое запоминание событий исключает эффект мертвого времени, описанный выше, и позволяет работать при скоростях счета в несколько сотен килогерц и выше.

Возможность запоминать импульсы, поступающие за время G, обеспечивается интегрированной схемой, которая называется сдвиговым регистром. Он состоит из набора управляемых таймером триггеров, объединенных в разряды. Например, 64-разрядный сдвиговый регистр, управляемый генератором импульсов с ча- стотой 2 МГц (0,5 мкс на разряд) образует ворота G шириной 32 мкс. Входные импульсы сдвигаются в этом регистре каждым тактовым импульсом генератора на один разряд, весь процесс занимает 32 мкс.

Эта концепция сдвигового регистра, свободного от мертвого времени, была предложена Бенелем [5]. Различные варианты схемы были разработаны Стефенсом, Свэнсеном и Истом [19], улучшены Свэнсеном [20,21] и совсем недавно Ламбертом [22]. К настоящему времени схема сдвигового регистра является наиболее широко применимой в американской и международной практике для задач регистрации совпадений. Примеры приведены в главе 17.

16.5.2 Ворота R+A

Работа схемы совпадений на основе сдвигового регистра лучше всего иллюстрируется с помощью распределения Росси-альфа (см. рис. 16.3), на котором показаны ворота G, открывающиеся без задержки, в границах которых собираются действительные и случайные совпадения R+A, а также задержанные ворота G, в границах которых собираются только случайные совпадения А. Между этими воротами существует длительная задержка D. Следует заметить, что регистрация совпадений не начинается, пока не пройдет короткий интервал времени P (предварительная задержка). В течение этого времени, обычно изменяющегося от 3 до 6 мкс, распределение Росси-альфа искажается за счет наложений импульсов и мертвого времени электроники, и поэтому скорость счета действительных совпадений не может быть измерена. После такой предварительной задержки сдвиговый регистр формирует R+A ворота без задержки, обычная длина которых составляет от 32 до 64 мкс.

Упрощенная блок-схема сдвигового регистра для измерения R+A событий приведена на рис. 16.8. Вход устройства (не показан) является схемой логического "ИЛИ", которая суммирует сигналы со всех выходов усилителей-дискримина- торов, образуя автокорреляционную схему. Каждый входной импульс после предварительной задержки Р проходит через сдвиговый регистр. Каждый импульс, входящий в сдвиговый регистр, поступает на прямой вход реверсивного счетчика, увеличивая его содержимое на единицу, в то время как каждый импульс, выходящий из сдвигового регистра, уменьшает его содержимое на единицу. Таким образом, в любой момент времени в памяти реверсивного счетчика содержится количество импульсов, находящихся внутри сдвигового регистра. Каждый входной импульс, перед тем как поступить на вход предварительной задержки и сдвигового регистра, заставляет реверсивный счетчик сбрасывать содержащуюся к этому моменту в нем информацию в пересчетное устройство R+A, добавляя ее к его предыдущему содержимому (стробирующее дейст вие).

Ðèñ. 16.8. Упрощенный вид схемы совпадений со сдвиговым регистром, которая регистрирует (действительные + случайные) события совпадений (R+A)

Приведенная выше последовательность действий гарантирует, что события, достаточно далеко разнесенные по времени, никогда не зарегистрируются в пере- счетном устройстве R+A. Однако если два импульса приходят с разделением по времени более чем P, но менее чем P+G, тогда один из них будет находиться в сдвиговом регистре (содержимое реверсивного счетчика будет равно единице). Другой импульс в это время будет являться стробирующим сигналом, по которому содержимое реверсивного счетчика переносится в пересчетное устройство R+A. Таким образом, будет зарегистрировано совпадение, как и требуется, в соответствии с рис. 16.3. Следует отметить, что если три и более импульсов присутствуют в соответствующем временном интервале, то алгоритм регистрации будет записывать все возможные пары совпадений между событиям и.

Число возможных перестановок двойных совпадений может превышать число импульсов. На практике этот алгоритм регистрации не приносит ни вреда, ни пользы, просто является следствием одинаковой обработки всех входных импульсов.

Рассмотренные выше события совпадений могут быть результатом двух или более нейтронов от одного спонтанного деления (действительные события деления) или результатом случайного совпадения во времени фоновых нейтронов или нейтронов от разных событий деления (случайные события). Поэтому число отсчетов, накапливаемых устройством, описанным выше, называется числом от- счетов R+A.

16.5.3 Ворота А

Действительные события деления R можно определять косвенным образом, добавляя вторую законченную схему сдвигового регистра для измерения случайных событий А. Эта схема идентична схеме R+A, за исключением того, что вводится продолжительная задержка D между сдвиговым регистром, определяющим ворота А, и входным импульсом, который стробирует передачу содержимого реверсивного счетчика в пересчетное устройство А. Задержка D гораздо длиннее времени затухания в детекторе, поэтому в момент времени t=0 еще нет нейтронов от событий деления, как это показано на рис. 16.3. Обычно величина D выбирается равной 1000 мкс, что значительно больше типичных значений времени затухания (30-100 мкс). При такой длительной величине задержки, равной D, пересчетное устройство А будет записывать только случайные совпадения, которые будут включать фоновые события, некоррелированные наложения событий деления и фона, а также некоррелированные наложения различных событий деления. Число случайных совпадений, зарегистрированных в пересчетном устройстве А, будет с точностью до случайных флуктуаций регистрации равно числу случайных совпадений, зарегистрированных в пересчетном устройстве R+A, если длина обоих временных ворот сдвиговых регистров А и A+R строго одинакова. Тогда разность чисел отсчетов, полученных в двух пересчетных устройствах, равна чистому числу отсчетов действительных совпадений R, которое пропорционально скорости деления в образце.

На практике, схема, которая измеряет случайные события, может быть сформирована посредством введения второй задержанной схемы сдвигового регистра или посредством введения второго задержанного строба. Последний подход используется в последних разработках схемы [20-22] ввиду простоты и легкости генерации ворот А и R+А одной и той же ширины. На рис. 16.9 показана блок-схе-

ма этой последней версии схемы совпадения на основе сдвигового регистра, которая включает пересчетное устройство полной скорости счета T, а также пересчетные устройства А и R+A.

Пересчетное устройство А регистрирует случайные совпадения между зарегистрированными событиями полного счета нейтронов; с точностью до случайных флуктуаций справедливо следующее соотношение:

где А и Т — скорости счета;

G — ширина ворот совпадений [24].

Эта нелинейная зависимость показывает, что А будет превышать Т, когда полная скорость счета будет больше чем 1/G. С помощью уравнения (16.13) можно вычислить А, не проводя измерений. Однако лучше измерять А с помощью схемы, описанной выше, т.к. при этом происходит ее непрерывная и автоматиче- ская коррекция при любых изменениях полной скорости счета в течение анализа. Уравнение (16.13) может быть в таком случае использовано позднее для диагностической проверки отклонений скорости счета или характе ристик прибора.

Ðèñ. 16.9. Блок-схема полной схемы совпадений со сдвиговым регистро м, включающая: пере- счетное устройство полного счета, а также пересчетное уст ройство R+A и пере- счетное устройство А [23]

16.5.4 Чистый отклик совпадений R

Из рис. 16.3 и приведенных выше рассуждений вытекает, что отклик действительных совпадений сдвигового регистра связан с измеренными значениями на выходе пересчетных устройств следующим уравнением:

Уравнение (16.14) идентично уравнению (16.9) за исключением того, что для сдвигового регистра не требуется большая экспоненциальная поправка на мертвое время. Меньшие поправки на мертвое время усилителя приведены ниже в разделе 16.6. Составляющая [1 – e-(D+G)/t] должна быть близка к единице, если задержка D много больше, чем время затухания τ в детекторе. Следовательно, этот множитель можно не учитывать при дальнейшем рассмотрени и.

В уравнении (16.14) величина R представляет полное число отсчетов совпадений, которое могло быть получено, если бы не требовалось знание значений предварительной задержки, ширины ворот или задержек. На практике для вели- чин P,G и D стараются поддерживать фиксированные значения, которые могут быть определены в процессе градуировки с использованием известных стандарт-

ных образцов. Тогда величину R = (R+A)пересч. устр. – (A) пересч. устр. можно рассматривать как наблюдаемый отклик нейтронных совпадений. Важное уравнение, кото-

рое связывает величину R с физическими характеристиками образца, детектора и схемы совпадений, можно получить из уравнений (16.2), (16.12) и (16.14) и оно имеет следующий вид [5, 25]:

где: R — истинная скорость счета совпадений; m240 — эффективная масса 240Puýôô образца; ε — полная эффективность детектора;

ν — множественность нейтронов спонтанного деления; P(ν) — распределение вероятности множественности; P — предварительная задержка;

G — ширина ворот совпадений;

τ — время затухания отклика в детекторе.

Уравнение (16.15) показывает опять, что отклик схемы сдвигового регистра для n событий, близких по времени друг к другу, пропорционален ν(ν-1)/2, в то время как отклик традиционной схемы был бы пропорционален (ν-1). Для реальных значений величин ε и ν разности не велики и автоматически рассчитываются при проведении градуировки. В разделе 16.5.2 было показано, что выражение ν(ν-1)/2 представляет собой сумму всевозможных парных совпадений событий для последовательности ν событий. Таким образом, сдвиговый регистр собирает все возможные действительные совпадения. Отклик схемы совпадений остается все еще линейным относительно массы образца. Однако эффекты саморазмножения в образце, описанные в разделе 16.8, действительно воздействуют на сдвиговый регистр значительно сильнее, чем на традиционные схемы, поэтому схемы сдвигового регистра требуют больше поправочных коэффиц иентов.

Уравнение (16.15) предоставляет возможность определения времени затухания отклика τ в детекторе. Если один и тот же образец анализируется одним и тем же способом, но при двух разных значения ширины ворот G1 è G2, (ãäå G2=2G1) и двух соответствующих значениях отклика совпадения R1 è R2, то для τ справедливо следующее соотношение: