ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 37-40
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 519.72+539.12
СИСТЕМА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
© 2014 г. В. Н. Марин, С. И. Поташев, Д. Н. Трунов, А. С. Поташев*, С. Н. Аксенов, А. А. Афонин, В. С. Литвин, А. А. Алексеев, А. C. Кононыхин, Р. А. Садыков
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: potashev@inr.ru * Московский физико-технический институт (государственный университет) Россия, 141700, Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9 Поступила в редакцию 04.03.2013 г. После доработки 20.11.2013 г.
Описана простая система детектирования нейтронов и накопления данных, включающая в себя секторные блоки 3Не-счетчиков, усилители-формирователи, 8-канальные многостоповые время-цифровые преобразователи, генератор длительности ворот, контроллеры ветви и крейта, сопряженные с компьютером. Система предназначена для спектрографических установок на импульсном источнике нейтронов ИЯИ РАН. Импульс на выходе усилителя-формирователя привязан к быстрой электронной компоненте лавины в детекторе. Времяцифровой преобразователь за время разрешения записи от 1 до 63 мс формирует в своей памяти спектр времени пролета нейтронов. Его временной диапазон имеет 4096 градаций с квантом времени от 0.125 до 128 мкс. Драйвер ядра Linux обеспечивает высокое быстродействие системы. Программа сбора данных на основе библиотеки Qt4 распознает модули в крейте КАМАК и отображает спектры с их предварительной обработкой.
DOI: 10.7868/S0032816214050206
1. ВВЕДЕНИЕ
Импульсный источник нейтронов позволяет проводить нейтронографические исследования конденсированных сред и наноструктур с использованием метода времени пролета [1, 2]. Он является экологически безопасным и более перспек-
тивным для получения высокой плотности потока нейтронов, чем источник на основе ядерного реактора [3, 4].
Система детектирования и сбора данных является необходимой частью физической установки [5, 6]. Такие системы реализуются с помощью
1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 11
Рис. 1. Система детектирования и сбора данных. 1 — поток нейтронов; 2 — исследуемый образец; 3 — счетчик; 4 — усилитель-формирователь; 5 — крейт; 6 — времяцифровой преобразователь; 7 — генератор длительности ворот; 8 — синхроимпульс; 9 — контроллер крейта; 10 — контроллер ветви; 11 — компьютер.
Рис. 2. Спектр рассеяния под углом 90° на образце алмаза. Спектры в дополнительной панели соответствуют углам рассеяния (слева-направо и сверху-вниз): 90°, 80°, 60°, 50°, 40° и 30°.
большого набора сложной и дорогой аппаратуры в стандартах VME, FASTBUS, CAMAC или с использованием специализированного процессора [7]. Известный времяпролетный фурье-дифрак-тометр ФСД в ЛНФ ОИЯИ использует два значения ширины импульса нейтронов 9.8 и 320 мкс, полученные с помощью вращающегося обтюратора, для исследований внутренних механических напряжений в объемных образцах и изделиях. Система регистрации основана на модулях в стандарте VME [8]. Данные передаются через последовательный порт RS-232, который имеет ограниченную пропускную способность.
Однако во многих случаях универсальная простая и недорогая система для нейтронографиче-ских исследований по методу времени пролета имеет преимущество, если в эксперименте достаточно измерений спектров. В этом случае измерение может проводиться автономным быстродействующим модулем с памятью спектров. Кроме того, использование ускорителя с электронным чоппером позволяет устанавливать любую длительность импульса от 1 до 200 мкс.
Измерительная система включает секторные блоки счетчиков нейтронов и систему накопления данных для комплекса четырех установок, размещенных на канале ИН-06 в Институте ядерных исследований РАН [9]:
• рефлектометр—малоугловой дифрактометр "Горизонт";
• многофункциональный нейтронный спектрометр МНС;
• дифрактометр с измерением неупругого рассеяния "Геркулес";
• дифрактометр монокристаллов "Кристалл".
Они предназначены для исследования динамики и структуры вещества в диапазоне длин волн от 0.1 до 10 А. Интервал времени от фронта синхроимульса до регистрации нейтрона составляет 10—40 мс. Система детектирования и сбора данных изображена на рис. 1. Рассеянные на исследуемом образце под различными углами нейтроны регистрируются счетчиками СНМ-17, которые объединены в секторные блоки и имеют эффективность регистрации для тепловых нейтронов ~80%. Сигнал счетчика образуется за счет ионизационных потерь ядер 1Н и 3Н из реакции нейтронов с 3Не, усиливается в газе в ~100 раз и после усилителя поступает на формирователь.
Его выходной импульс через коаксиальный кабель поступает на вход "Стоп" времяцифрово-го преобразователя (в.ц.п.). Сигнал синхроимпульса ускорителя запускает программно регулируемый импульс генератора длительности ворот, поступающий на вход "Старт" в.ц.п. Длительность импульса нейтронов составляет от 1 до 200 мкс. В эксперименте ширина канала в.ц.п. выбирается в диапазоне 1—128 мкс соответствующей неопределенности в величине времени пролета. Система сбора данных позволяет работать при высокой интенсивности потока нейтронов,
СИСТЕМА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ДАННЫХ
39
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
ё, А-1
Рис. 3. Спектр поликристаллического образца-компакта алмаз-карбид кремния со следами графита (ё — межплоскостное расстояние).
определяемой загрузочной способностью детекторов 105 с-1. Спектры времени пролета формируются в памяти в.ц.п. и передаются через контроллер крейта КАМАК и 32-разрядную PCI-плату контроллера ветви в локальный компьютер, который управляется удаленно главным компьютером.
2. РЕГИСТРИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2.1. Усилитель-формирователь
Модуль содержит зарядочувствительный усилитель и двухпороговый формирователь, вырабатывающий сигнал NIM с привязкой к фронту быстрой электронной компоненты и не реагирующий на медленную ионную компоненту импульса за счет работы схемы временного гистерезиса. Параметры усилителя: коэффициент преобразования 1 В/106е-; шум по входу <2000е— на емкости детектора 60 пФ; время нарастания и время среза выходного импульса 100 нс. Параметры формирователя: диапазон нижнего порога 0-0.5 В, верхнего порога — 0-2 В; временной гистерезис 2 мкс.
2.2. Генератор длительности ворот и времяцифровой преобразователь
Генератор длительности ворот (г.д.в.) КАМАК формирует сигнал Старт для запуска и разрешения кодирования времяцифрового преобразователя. Г.д.в. содержит канал формирования задержки относительно синхроимпульса ускорителя в диапазоне 1—65535 мкс с шагом 1 мкс и канал длительности импульса ворот в диапазоне 1—63 мс, кото-
рые регулируются программно. Он спроектирован на микросхеме FPGA Cyclon.
Частота тактового генератора с фазовой автоподстройкой частоты составляет 128 МГц, что позволяет уменьшить джиттер г.д.в. до 7 нс. Г.д.в. может быть как "ведущим", так и "ведомым", чтобы обеспечить работу в одном крейте двух групп в.ц.п. с различными задержками начала кодирования и величинами длительности ворот. Г.д.в. запускается внешним сигналом формата NIM длительностью 100 нс и имеет 8 выходов. Ведущий г.д.в. синхронизирует работу всех в.ц.п.
Времяцифровой преобразователь КАМАК с памятью спектров имеет общий стартовый и восемь стоповых входов для сигналов NIM длительностью 100 нс. Каждый из 8-ми измерительных каналов имеет 4096 градаций времени с квантом от 0.125 до 128 мкс и временем задержки стопового сигнала относительно стартового в диапазоне от 0.0625 мкс до 8 мс.
Время задержки начала кодирования и длительность ворот устанавливаются в статусном регистре г.д.в. В статусный регистр в.ц.п. записываются ширина кванта времени, время задержки и режим работы: "нормальный" или "логарифмический по основанию 2".
3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Программное обеспечение, разработанное на основе библиотеки Qt4, состоит из драйвера ядра ОС Linux, библиотеки функций КАМАК, программы сбора и предварительной обработки данных для
накопления и отображения спектров в режиме реального времени и с заданным периодом сохраняет их на жесткий диск с последовательной нумерацией. Драйвер ядра для контроллера ветви обеспечивает максимальное быстродействие.
В программе выполняется процедура идентификации и тестирования модулей КАМАК с определением их мест в находящемся в опасной зоне крейте, которая основана на анализе значений откликов Xи Q. В настоящее время программе известны модули 27 типов включая различные цифровые преобразователи амплитуды, заряда и времени. В модуле г.д.в. устанавливается время задержки сигнала ворот и время длительности ворот, а в модуле в.ц.п. — время задержки сигнала и квант времени кодирования.
Панель для спектров имеет две вкладки, в которых демонстрируются в автоматическом или ручном масштабе спектры из выбранных каналов и модулей. Координаты позиции курсора динамически отображаются на графике. Участки спектра для сглаживания и предварительной обработки пиков с получением их параметров и вычисления суммы отсчетов выбираются маркерами. Одновременно можно запустить несколько экземпляров программы. При отображении в автоматическом масштабе на график выводится область спектра от первого значения выше уровня чувствительности до последнего такого же значения. Порог чувствительности по оси Уне учитывает начальную область спектра при автомасштабировании. Имеются два режима масштабирования:
1) начало физических координат привязано к началу координат графика;
2) изменение масштаба происходит относительно положения центра графика.
В дополнительной графической панели выводятся все спектры, принадлежащие модулю, спектр которого демонстрируется в основном окне, как показано на рис. 2.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ
Система регистрации была испытана на установках МНС, "Геркулес" и "Горизонт" на источнике ИН-06 ИЯИ РАН. Были получены спектры времени пролета прямого пучка и дифрактограм-мы на различных поликристаллических образцах с частотой повторения макроимпульсов ускорителя от 1 до 50 Гц. На рис. 3 представлены результаты измерений, выполненных с
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.