ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 53-57
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 53.088.7+681.2.082
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ВРЕМЯЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
© 2011 г. Р. В. Полещук*, Б. К. Лубсандоржиев*, **
*Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а **Kepler Center for Astro and Particle Physics, University of Tübingen Auf der Morgenstelle 14, D-72076, Tübingen, Germany Поступила в редакцию 11.01.2011 г.
Времяцифровой преобразователь разработан для исследования коррелированных во времени событий с большими временами задержки между событиями. Диапазон измеряемых интервалов времени 276 мкс, ширина канала преобразователя 67.4 нс, интегральная нелинейность <1%, дифференциальная нелинейность <4%. Преобразователь выполнен в стандарте КАМАК.
Во многих физических экспериментах возникает необходимость измерения интервалов времени длительностью до сотен микросекунд и более. В качестве примера можно привести эксперименты, где планируется использовать так называемые "медленные" сцинтилляционные кристаллы, времена высвечивания которых составляют десятки или даже сотни микросекунд. Это эксперименты по поиску темной материи и двойного безнейтринного Р-распада ядер [1—3]. Кроме того, отдельный интерес представляют явления, имеющие место в самих детекторах, например послеимпуль-сы в фотоэлектронных умножителях (ф.э.у.). По-слеимпульсы в ф.э.у. — это импульсы, строго коррелированные с основным импульсом и отстающие от него на время от десятков наносекунд до десятков микросекунд. Основным источником послеимпульсов является как ионизация атомов остаточного газа в вакуумном объеме фотодетекторов, так и поверхностная ионизация атомов и молекул, адсорбированных на поверхностях эмиттеров фотодетекторов [4—8].
Для измерения длительности интервалов времени в ядерно-физических экспериментах в настоящее время широко используются времяциф-ровые преобразователи (в.ц.п.). Основная масса времяцифровых преобразователей специализирована для измерения малых интервалов времени от десятков пикосекунд до сотен наносекунд. Кроме этого, такие преобразователи не всегда доступны, и их стоимость остается довольно высокой.
Для изучения кинетики свечения "медленных" сцинтилляционных кристаллов и временных распределений послеимпульсов в вакуумных фотоумножителях нами был разработан 12-разрядный в.ц.п. БПВ-15. Одними из требований к
в.ц.п. были простота исполнения и доступность элементной базы.
Времяцифровой преобразователь БПВ-15 предназначен для измерения интервалов времени длительностью до 276 мкс с шириной канала преобразования 67.4 нс. По методу измерения временного интервала БПВ-15 является в.ц.п. прямого счета [9, 10], т.е. в преобразователе сначала формируется интервал времени, длительность которого напрямую равна времени между фронтом и спадом измеряемых импульсов. Этот интервал времени затем оцифровывается с помощью генератора импульсов тактовой частоты.
Преобразователь выполнен на основе микросхем т.т.л.(ТТЬ)/т.т.л.ш. Для корректной работы счетчиков т.т.л.ш. частота импульсов тактового генератора выбрана равной 15 МГц. Функциональная схема БПВ-15 приведена на рис. 1. Преобразователь состоит из следующих блоков: двух преобразователей уровней NIM/TTL, формирователя импульса ФИ, тактового генератора Г, блоков управления, счетчиков и регистров.
После преобразования уровней от NIM в TTL сигналы Старт и Стоп поступают в формирователь импульса ФИ. Длительность выходного импульса формирователя ФИ равна (с определенной точностью) измеряемому интервалу времени. Максимальная длительность измеряемого интервала времени ограничена до значения 276 мкс.
По спаду измеряемого импульса формируется сигнал Готовность в блок управления для выработки LAM-запроса, выставления его на магистраль КАМАК и записи накопленных данных счетчиков в выходные регистры. С помощью логического элемента И измеряемый интервал времени заполняется импульсами тактового генератора. Выходные сигналы элемента И считывают-
54
ПОЛЕЩУК, ЛУБCAНДОPЖИЕB
Рис. 1. Функциональная схема времяцифрового преобразователя БПВ-15. NIM/TTL — преобразователи уровня NIM в т.т.л.; ФИ — формирователь импульса; Г — генератор тактовой частоты 15 МГц; И — схема совпадений.
NF(2)F(8) Z S2 L Q
ся счетчиками и через регистры поступают на шину КАМАК.
Принципиальная схема БПВ-15 приведена на рис. 2. Преобразователи уровней №М/ТТЬ выполнены на транзисторах Т1—Т4. Формирователь импульса ФИ представляет собой ^-триггер М3-1. Максимальная длительность измеряемого временного интервала определяется длительностью выходного импульса одновибратора М2. Генератор выполнен на кварцевом резонаторе 15 МГц и трех инверторах М5.
Выходные импульсы логического элемента И (М4) подаются на три последовательно соединенных четырехразрядных двоичных счетчика М7—М9. Состояния этих счетчиков по сигналу Готовность от блока управления через элементы М10 и М11 записываются в три четырехразрядных регистра М12—М14. Блок управления состоит из элементов М15, М6, М4-2—М4-4, М3-2, М1-4 и М5-6. В этом блоке дешифрируются команды КАМАК и формируются управляющие сигналы для остальных блоков преобразователя БПВ-15.
Калибровочные измерения по определению ширины канала преобразователя БПВ-15 проводились с помощью измерительного стенда, функциональная схема которого приведена на рис. 3. Для определения ширины канала импульсы от генератора импульсов Г1 (Г5-72) с частотой повторения ~1 кГц подаются через дискриминатор Д1 (ЬеСгоу 623ЛЬ) на вход "Старт" времяцифрового преобразователя.
Импульсы второго генератора Г2 (Г5-72), синхронизированные и задержанные по времени относительно импульсов генератора Г1 (переключатель К в положении 1), после дискриминатора Д2 (ЬеСгоу 623ЛЬ) поступают на вход "Стоп" преоб-
разователя. Bремя задержки сигнала Стоп от сигнала Старт регулируется генератором Г2.
Значения временных интервалов, измеренные преобразователем, считываются в персональный компьютер через крейт-контроллер КК-009. При калибровочных измерениях интервалы времени между сигналами Старт и Стоп выставляются с шагом 5 мкс с точностью не хуже 1 нс с помощью аналогового быстродействующего осциллографа Tektronix 2465B. Затем сформированные таким образом временные интервалы измеряются в каналах в.ц.п. Из наклона измеренной зависимости результатов оцифровки от длительности временного интервала определяется значение ширины канала преобразователя, равное 61.4 нс.
Измерения интегральной и дифференциальной нелинейности преобразователя проводятся на том же стенде (рис. 3), но в этом случае генераторы Г1 и Г2 работают независимо друг от друга, т.е. взаимно не синхронизованы (переключатель К в положении 2). Частоты повторения импульсов обоих генераторов устанавливается близкими к ~1 кГц. Таким образом, обеспечивается случайный некоррелированный характер появления сигналов Старт и Стоп. Измерения продолжаются до накопления более чем 103 событий в каждом канале преобразователя. Результаты измерений показали, что дифференциальная нелинейность не превышает 4%, а интегральная нелинейность составляет <1%.
Преобразователи БПB-15 активно используются в настоящее время в лабораторных исследованиях как послеимпульсов ф.э.у., так и кинетики сцинтилляционного свечения ряда кристаллов [11, 12]. Обнаруженный в этих измерениях многоэкспоненциальный характер сцинтилляционного свечения кристалла CaMoO4 открывает но-
ШИPOKOДИAПAЗOHHЫЙ BPEМЯЦИФPOBOЙ ПPEOБPAЗOBAТEЛЬ
55
^ ^ ^
RG
II ^ С^ С^ С^ С^ и R
оо
и
q
^
^ ^ ^ ^
E И
К
I
X
К
I
А А A A
AAAA
К
I
К
I
К
I
^
~ oo
,40
wP £ i
i -« ^
^ S д £
с I
pq uo
£ SsT
8 s
о ^
о
(U ^
a i с ^
(D ^
X
О СЧ
3 ïsf
¡B „ Л <N
s 4
С «л S ^
к а g. I
* Í
56
ПОЛЕЩУК, ЛУБСАНДОРЖИЕВ
Д1
Старт
Синхр. К\2 1 Стоп
Г 2 Д2
В.ц.п.
К
KK
ПК
Рис. 3. Функциональная схема стенда для калибровочных измерений и исследований дифференциальной и интегральной нелинейности. /2 — генераторы импульсов Г5-72; К — переключатель; Д1? Д2 — дискриминаторы ЬеСгоу 623АЬ; в.ц.п. — времяцифровой преобразователь БПВ-15; КК — крейт-контроллер КК-009; ПК — персональный компьютер 1ВМ-РС/АТ-486.
Число событий 104 ^
103 г
Время, мкс
Рис. 4. Распределение времен задержек послеимпульсов от основного импульса в диапазоне ~50—200 мкс для ф.э.у. ЕМ19350.
вые возможности в планировании будущих экспериментов по поиску двойного безнейтринного Р-распада ядер 100Мо.
При исследовании послеимпульсов в вакуумных ф.э.у. разного типа с помощью преобразователя БПВ-15 нами был обнаружен новый класс послеимпульсов с временами задержки от основного импульса в диапазоне ~80—200 мкс [13, 14]. На рис. 4 показано распределение времен задержек таких послеимпульсов, зарегистрированных ф.э.у. ЕМ19350. Зарядовое распределение этих послеим-пульсов носит однофотоэлектронный характер и их вероятность образования не превышает 0.1% на фотоэлектрон.
Следует отметить, что в настоящее время такие послеимпульсы обнаружены только в нескольких ф.э.у. из большого числа исследованных ф.э.у различного типа. Существование такого класса послеимпульсов не объясняется общепринятыми
на сегодняшний день моделями образования послеимпульсов в вакуумных ф.э.у. Поэтому необходимо дальнейшее тщательное изучение этого явления, поскольку, несмотря на малую вероятность образования, такие послеимпульсы могут накладывать ограничения на эксперименты по поиску редких событий, использующих временную информацию.
Авторы считают своим приятным долгом выразить свою искреннюю признательность В.Ч. Лубсандоржиевой за внимательное прочтение рукописи статьи и многочисленные ценные обсуждения и замечания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mikhrin S.B., Mishin A.N., Potopov A.S. et al. // Nucl. Instrum. and Methods A. 2002. V. 486. P. 295.
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ВРЕМЯЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
57
2. Mikhailik V.B., Henry S, Kraus H, Solskii I. // Nucl. Instrum. and Methods A. 2007. V 583. P. 350.
3. Mikhailik V.B., KrausH., Itoh M. etal. // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. V. 17. P. 7209.
4. Morton G.A., Smith
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.