ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 39-46
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 539.1л
СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА ФОРМЫ ИМПУЛЬСОВ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЯДЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
© 2004 г. В. Б. Бруданин, В. А. Морозов, Н. В. Морозова
Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 18.06.2003 г.
После доработки 15.04.2004 г.
Рассматривается метод анализа формы импульсов в нано- и микросекундном диапазонах на основе метода задержанных совпадений. Показана возможность статистического стробирования импульсов при пикосекундной цене канала временного анализатора с помощью стандартного а.ц.п. на 4096 каналов и п.э.в.м. При исследовании схем распада радиоактивных ядер данный метод позволяет устанавливать переходы, заселяющие и разряжающие короткоживущее ядерное состояние, если период полураспада этого состояния сравним с длительностью импульса, подаваемого на энергетический анализ.
В описываемом методе анализа формы импульсов используется аналоговое формирование временной оси анализатора импульсов при помощи времяамплитудного конвертора с последующей ее дискретизацией с помощью стандартного а.ц.п. Положение строб-импульса относительно сигнала не задается заранее, а формируется и измеряется post factum. Момент выборки сигнала определяется моментом совпадения двух некоррелированных во времени событий - исследуемого сигнала и стробирующего импульса. Для анализа формы импульсов используется двумерный А-Т-спектрометр задержанных совпадений со стандартным набором блоков наносекундной электроники (дискриминаторы, времяамплитудный преобразователь, амплитудно-цифровые преобразователи и др.), а также компьютер для накопления экспериментальных данных. Метод позволяет изучать форму периодических и непериодических повторяющихся сигналов и подобен стробоскопическому методу исследования формы импульсов [1], в котором положение импульса строба относительно синхроимпульса увеличивается на фиксированную величину (шаг стробирования) с приходом каждого последующего синхроимпульса вплоть до достижения конца временной развертки, обеспечивая таким образом анализ сигнала в определенном временном интервале. При этом в статистическом методе анализа, если входной сигнал заведомо случаен (ядерный распад, например), то выборка может быть периодической и наоборот.
Ниже приведены примеры применения рассматриваемого метода в оцифровке импульсов разных длительностей и амплитуд от генератора импульсов, а также от сцинтилляционного и по-
лупроводникового детекторов в спектрометрах задержанных совпадений.
АНАЛИЗ ФОРМЫ ИМПУЛЬСОВ ОТ ГЕНЕРАТОРА
На рис. 1 приведена блок-схема А-Г-спектро-метра для изучения формы импульсов от генератора периодических сигналов. Спектрометр обес-
Рис. 1. Блок-схема спектрометра для изучения формы импульсов от генератора. ВАП - времяамплитудный анализатор, Гн - генератор, ЛЗ - линия задержки, ЛУ - линейный усилитель, Д - дискриминатор, Ф - формирователь импульсов по длительности, КК — крейт-контроллер.
Рис. 2. Изображение формы импульса при стробиро-вании узким (а) и широким (б) стробом: У^ - исследуемый импульс, У2 - импульс строба, У3 - изображение формы импульса после стробирования.
печивает регистрацию амплитудно-временных (А-Т) совпадений на п.э.в.м. Спектрометр содержит набор стандартных блоков: времяамплитуд-ный преобразователь ВАП (ОИТБС ТНРС-47б), генератор Гн, линию задержки ЛЗ для согласования по времени временного Т и амплитудного А сигналов, линейный усилитель ЛУ, позволяющий формировать импульсы различной формы и длительности и при необходимости инвертировать сигнал, дискриминатор Д, формирующий сигнал Стоп, АЦП (КА007) [2] на 4096 каналов с тактовой частотой 100 МГц, с интегральной нелинейностью шкалы 0.05% и дифференциальной нелинейностью 1% и сцинтилляционный спектрометр с радиоактивным источником, который служит генератором случайных сигналов.
А-Т-спектрометр фиксирует интервал времени от момента появления исследуемого сигнала и до прихода некоррелированного во времени с основным импульсом сигнала от источника статистически распределенных импульсов. При этом исследуемый сигнал поступает на вход АЦП1, а сигнал управления от ВАП, который по времени его появления синхронизован с его выходным сигналом Т, через формирователь импульсов по длительности Ф приходит на ворота АЦП1, являясь, таким образом, стробом, генерируемым случайным образом во временном диапазоне Т, задаваемом ВАП. В этом случае АЦП1 фиксирует ампли-
туду участка исследуемого импульса в пределах длительности строба. АЦП2 фиксирует временное распределение случайных совпадений во временном диапазоне Т. Варьируя частоту генератора и интенсивность источника статистических сигналов, можно достигнуть желаемой скорости счета случайных совпадений Асл, так как Асл = = ТАгенАстат, где Т - анализируемый временной интервал, Аген и Астат - частота генератора и скорость счета статистически распределенных во времени (случайных) сигналов.
Программа набора и накопления данных представлена в работе [3]. Она позволяет осуществлять последовательную запись кодов амплитуд, принадлежащих каждому событию, в оперативную память п.э.в.м. с последующим выводом блока данных на диск, а также обеспечивает оперативную визуализацию данных с возможностью выбора частоты обновления экрана. После набора данных могут быть применены любые программы обработки полученных распределений.
На рис. 2а, 26 схематично представлены формы импульсов при стробировании импульсов определенной длительности в двух режимах измерений: узким и широким стробом. Узким стробом можно просканировать форму импульса с точностью, определяемой только длительностью строба, а точнее временем нахождения ворот АЦП в открытом состоянии. Необходимость использования широкого строба возникает при регистрации энергетических спектров у-излучения, например, в спектрометрах совпадений в ядерно-физических исследованиях, когда длительность сигнала управления, подаваемого на АЦП у-спектрометра, должна быть не менее полуширины анализируемого импульса, что для полупроводникового спектрометра составляет не менее 1 мкс.
На рис. 3 - рис. 6 приведены примеры измерения формы импульсов различной длительности и амплитуд методом статистического стробирования. Проводилась регистрация импульсов при разных значениях цены канала (ц.к.) временного анализатора и при различных длительностях строба, начиная от 45 нс и до 1.0 мкс. Различие в форме импульсов кривых 1 и 2 на рис. 3 вызвано использованием различных постоянных времени формирующей ^С-цепочки на участке Гн-АЦП. Во всех измерениях использовался кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Изображение формы импульса 3 (рис. 3) соответствует представлению, приведенному на рис. 26 при использовании широкого строба.
Импульсы, приведенные на рис. 4 - рис. 6, были получены от ФЭУ ХР2020, фотокатод которого освещался светодиодом, запускаемым от генератора. На рис. 4 представлены результаты разных измерений при различной цене канала в каждом измерении. Длительность строба в изме-
Амплитуда, В 800
600
400
200 -
0 500 1000 1500 2000 2500
Номер канала
Рис. 3. Результат регистрации импульсов длительнос-
тью Гимп = 0.5 мкс: 1 ■
Г
строб
= 50 нс (ЯС = 5 • 10-10 с);
2 - 50 нс (1.2 • 10-7 с); 3 - 1.0 мкс (5
10-10 с).
рениях, представленных на рис. 4, рис. 5, равнялась 45-50 нс. Как следует из этих рисунков, даже использование строба, превосходящего по длительности исследуемый сигнал, не приводило к его уширению, т.е. к искажению формы. Это означает, что в реальности ворота АЦП открывают его на время, существенно меньшее по сравнению с длительностью строба, что определяется, очевидно, переходной характеристикой ворот АЦП КА007. Можно отметить, что минимальная длительность строба, при которой АЦП КА007 еще сохраняет свою работоспособность, равна 20 нс.
Минимальная цена канала временного анализатора, полученная в данных измерениях, равнялась 5 пс/канал (рис. 46), что определялось величиной минимального временного диапазона время-амплитудного преобразователя ОКТБС ТНРС-476 и числом каналов используемого АЦП. Однако такая цена канала не является минимальным пределом при использовании метода статистического стробирования.
Можно отметить, что этот метод позволяет по форме зарегистрированного импульса определить степень согласования выхода генератора или линейного усилителя с входным устройством АЦП. Это обстоятельство может оказаться существенным при прецизионных измерениях амплитудных распределений импульсов в условиях больших загрузок или при исследовании импульсов наносекундной длительности. Результат рас-
Амплитуда, В 200
0.70 0.34
I
(а)
0.09
0.17
»
_|_I_1_
200
160
120 -
80
40
ц.к. = 9 пс
ц.к. = 5 пс
1000 2000 3000 Номер канала
4000
Рис. 4. Результат регистрации импульсов длительностью Гимп = 30 нс при ц.к. 0.09-0.70 нс (а) и при ц.к. 9 и 5 пс (б); ГСтроб = 45 нс.
согласования выхода ЛУ со входом АЦП наглядно виден на рис. 5, на котором приведены результаты измерений того же сигнала длительностью 30 нс, что и на предыдущих рисунках, но если в предыдущих измерениях входное сопротивление АЦП было Я = 50 Ом, то в последнем измерении Я = 1 кОм. В этом случае наблюдаются высокочастотные затухающие колебания, возникающие после прохождения импульсов с крутыми фронтами вследствие рассогласования источника сигнала, кабеля и входного контура АЦП, который,
0
Амплитуда, В
Номер канала
Рис. 5. Результат регистрации импульсов длительностью 30 нс при рассогласовании выхода ФЭУ и входа АЦП, Тстроб = 50 нс.
помимо активного входного сопротивления, имеет также и реактивное в виде паразитной емкости и индуктивности.
На рис. 6 представлены результаты измерения импульсов разных амплитуд, которые дают представление о линейности измерительного тракта.
Амплитуда, В
Номер канала
Рис. 6. Измерение импульсов различных амплитуд Тимп = 160 нс Тстроб = 100 нс.
АНАЛИЗ ФОРМЫ ИМПУЛЬСОВ ОТ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Аналогично оцифровке импульсов от генератора происходит и оцифровка им
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.