ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 51-53
_ ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ _
- ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ -
УДК 533.9.082+539.1.07:621.317.75
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ А.Ц.П. ДЛЯ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. Д. А. Скопинцев, Ю. А. Кащук, А. В. Красильников
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Троицк Московской области E-mail: cda@triniti.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 23.09.2003 г.
Рассмотрены потенциальные преимущества цифровой регистрации сигналов детекторов ионизирующего излучения. Современные быстродействующие а.ц.п., работающие с частотами дискретизации >400 МГц (2.5 нс), имеющие буферную память до 4Г байт со скоростью ввода данных до 400М байт/с, позволяют регистрировать за времена до 10 с непрерывные потоки импульсов с входной загрузкой >107 импульсов/с. В отличие от стандартных способов регистрации, когда отбрасываются сигналы, содержащие наложенные импульсы, регистрация полного потока сигналов позволяет разрешать и выделять перекрывающиеся импульсы достаточно хорошо при условии, что время между их приходом >20-40 не.
В спектрометрических системах, применяемых в настоящее время, сигнал, поступающий от детектора, обрабатывается, формируется и фильтруется в спектрометрическом усилителе-формирователе, а затем амплитуда сигнала преобразуется в код при помощи а.ц.п. Импульсы от детектора, приходящие в течение времени обработки, накладываются друг на друга и искажают сигнал. Подобные случаи обычно детектируются инспектором наложений и отбрасываются, что ограничивает пропускную способность реальных спектрометрических систем в пределах 105—106 импульсов/с.
В недавних экспериментах с дейтерий-тритиевой плазмой на европейском токамаке JET был достигнут нейтронный выход 5 ■ 1018 нейтронов/с (что соответствует термоядерной мощности ~14 МВт). В экспериментах с дейтериевой плазмой нейтронный выход на этой установке достигает 5 х х 1016 нейтронов/с. Такая высокая интенсивность нейтронного источника приводит к тому, что количество наложенных импульсов в сигналах детекторов составляет значительную часть, и требуется выделение составляющих из интегрального детектируемого сигнала. Решение этой задачи возможно с применением быстродействующих а.ц.п., при этом импульс от детектора оцифровывается сразу же после прохождения через предусили-тель. Зарегистрированные формы сигнала могут быть позже проанализированы для определения типа частицы и ее энергии, а также выделения составляющих в случае наложения сигналов и определения времени их прихода.
Некоторые неудобства применения быстродействующих а.ц.п. - большой объем данных (до
4Г байт), который требуется хранить на жестких дисках, низкое разрешение (8 бит для а.ц.п. с высокой частотой выборки), потребность в быстродействующих процессорах и большом объеме оперативной памяти для применения программ восстановления сигнала, высокая стоимость самого а.ц.п. - в последнее время становятся вполне преодолимыми. Более того, применение быстродействующих а.ц.п. представляет не только удобный, но, пожалуй, единственный способ проведения измерений в условиях высокой частоты следования импульсов.
АППРОКСИМАЦИЯ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА ОТ СЦИНТИЛЛЯТОРА
Среди различных датчиков нейтронов, органические сцинтилляторы стильбен и КЕ213 широко используются для измерений в смешанных полях ионизирующих излучений, поскольку у них хорошо различаются формы импульсов от нейтронов и у-квантов. Сцинтилляционный световой импульс, произведенный у-квантом, спадает быстрее, чем импульс, вызванный нейтроном. Типичная продолжительность сцинтилляционных импульсов 20-30 нс для быстрого компонента и 200-300 нс для медленных компонентов. Согласно [1], форма импульса в стильбене может быть описана как сумма трех компонентов: быстрого компонента с временем спада 4.05 не и двух медленных компонентов с временами спада 33 и 270 нс.
Для анализа наложения сигналов может быть использовано аналитическое описание полной формы импульса от сцинтиллятора. Как показано в [2],
51
4*
52
СКОПИНЦЕВ и др.
форма импульса описывается разностью между двумя экспоненциальными членами, один из которых учитывает .КС-постоянную времени анода, соединительного кабеля и входного каскада а.ц.п., а другой постоянную времени спада световой вспышки сцинтиллятора. Но аппроксимация только с двумя экспоненциальными членами не дает удовлетворительного результата, особенно для времен > 50 нс. Это происходит из-за характеристического медленного компонента затухания световой вспышки в сцинтилляторе. Поэтому необходимо добавить вторую экспоненциальную разность, связанную с функцией реакции системы, отвечающей более длительному остатку в сигнале. Более точно форма импульса может быть описана следующей функцией:
Т А Г -0(t - г0> -Xs(t - ,
L = A (e - e ) +
-0( t -10) -Xu (t -10)
+ B(e - e ).
(1)
Параметр г0 определяет начало импульса.
Приближение согласно уравнению (1) с шестью свободными параметрами (А, В, г0, 6, Хя и Хы) может не всегда легко сходиться к лучшему решению - конечная сходимость зависит от начальных параметров. Для упрощения и стабилизации процедуры аппроксимации было бы желательно найти значения свободных параметров, идентифицируя их единственные оптимальные значения или соотношения между ними. С этой целью можно использовать следующую процедуру аппроксимации, позволяющую получать информацию относительно типа частиц и их энергии [3]:
1) достаточно большое число импульсов аппроксимируется уравнением (1) при свободном подборе всех шести параметров;
2) по результатам аппроксимации значения трех констант экспоненциального спада (6, Хя и Хы) усредняются и фиксируются;
3) для найденных констант экспоненциального спада снова находятся г0 и параметры нормализации А и В;
4) находится среднее значение для г0, а соотношение между А и В выбирается таким, чтобы все импульсы могли быть описаны только одной константой нормализации.
Для частиц одного типа уравнение (1) соответствует сигналам одной формы, но различной высоты импульса.
АЛГОРИТМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО СИГНАЛА
Алгоритм анализа полной формы сигнала, содержащего наложенные импульсы, должен разрешать максимумы соседних перекрывающихся импульсов и давать достоверную информацию о типе и энергии частиц, вызвавших зарегистриро-
ванный сигнал. Очевидно, неопределенность в восстановлении является особенно большой при малой разнице во времени прихода импульсов, так как на второй сигнал сильно воздействует спад первого.
Аналитическую функцию, полученную при реконструкции первого импульса, можно вычесть из полного сигнала, что позволит реконструировать второй (или следующий) сигнал, и т.д. Для исключения неверного истолкования вторичных максимумов, произведенных флуктуациями сигнала, главным образом шумом, требуется разрешать по крайней мере 20% от высоты импульса, что составляет примерно по 5 не до и после максимума. Достоверный анализ обоих сигналов можно гарантировать при приходе импульсов не чаще чем через 20 не.
Исследования сравнительных характеристик формы сигналов, полученных от у- и нейтронных источников на детекторах разных типов, с примерами их взаимного наложения, и оценка вычислительной сложности численного приближения приводят к возможности разделения зарегистрированного интегрального сигнала с помощью корреляционного метода выделения составляющих при учете априорной информации о форме импульсов.
Алгоритм включает следующие этапы:
1) статистическое накопление информации о форме сигналов;
2) составление таблицы форм импульсов для всех регистрируемых уровней энергии для каждого типа частиц (количество уровней обусловлено разрядностью а.ц.п. и является степенью двойки);
3) нахождение точек экстремума для получения предварительной информации о количестве импульсов в сигнале, их амплитуде и местоположении;
4) выявление местоположения и типа формы первого импульса в сигнале методом пошагового сдвига табличных форм относительно начала сигнала и нахождения для них максимума корреляции;
5) вычитание найденного импульса из сигнала и переход к предыдущему шагу до полного разложения интегрального сигнала на составляющие импульсы методом исчерпывания;
6) при совпадении максимума корреляции для разных форм импульсов, на каждом шаге алгоритм разбивается на параллельные цепочки, из которых за истинную принимается та, которая исчерпывается за меньшее количество шагов с минимумом остатка.
Для реализации алгоритма использовалась система регистрации, построенная на сцинтилляционном датчике (стильбен), ф.э.у. 2966В (52 мм) производства Electron Tubes Limited (www.eleetrontubes.eom) и быстродействующем а.ц.п. ADM210x200M, раз-
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ А.Ц.П.
53
Форма сигнала в двух режимах регистрации: 10 бит при выборке 200 МГц (слева) и 8 бит при выборке 400 МГц (справа).
работанном в ЗАО "Инструментальные Системы" (http://www.insys.ru).
Система имеет следующие характеристики: разрядность 10 бит (8 бит); количество а.ц.п. - 2; частота дискретизации в одноканальном режиме (10 бит) 200 МГц и (8 бит) 400 МГц; скорость ввода данных в память модуля 400М байт/с; скорость передачи данных из памяти модуля в п.э.в.м. 85М байт/с; память данных тракта ввода (четыре слота SDRAM DIMM 168-pin) 4Г байт; время регистрации при максимальной частоте дискретизации 10 с.
А.ц.п. имеет два 10-разрядных (200 МГц) независимых канала, которые могут работать параллельно, обеспечивая двухканальный сбор, и последовательно в одноканальном режиме, обеспечивая удвоение частоты сбора. В этом случае из-за ограниченной пропускной способности шины в память записываются старшие 8 бит из 10-битного слова. Сравнение двух режимов работы а.ц.п. показано на рисунке - представлен пример поставляемой программной оболочки ISVI с формой
одиночного импульса от у-кванта, зарегистрированного спектрометром с кристаллом стильбена.
Моделирование высоких плотностей потоков ионизирующего излучения (>107 импульсов/с) проводилось программно путем многокра
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.