Оптимизация и расчет быстродействующего канала гамма-датчика. Исследование многоканальных схем гамма-датчика

  Большинство сцинтилляторов имеют, помимо основного быстрого компонента высвечивания, несколько более медленных компонент, и спад импульса анодного тока умножителя можно представить в виде суммы нескольких экспонент с различными постоянными времени. В целом форма импульса тока определяется видом регистрируемого излучения. На рис. 1.3 приведена форма сцинтилляционных импульсов для частиц с различной ионизационной способностью в стильбене. Различие в форме импульсов тока используется для идентификации частиц.

  Отличительная особенность сцинтилляционных счетчиков - наличие шумовых импульсов, возникающих на выходе ФЭУ. Они образуются в результате умножения тепловых электронов, эмитируемых фотокатодом.

Рис. 1.2. Зависимость  формы импульса тока ФЭУ для разных отношений Тпр/Тс

 

Рис. 1.3. Форма  сцинтилляционных импульсов в стильбене  для частиц с различной ионизационной  способностью: 1- альфа-частицы, 2- протоны, 3- электроны.

 

  Помимо ФЭУ в сцинтилляционных и позиционных детекторах иногда применяют канальные электронные умножители (КЭУ) и микроканальные пластины (МКП). Умножители этого типа рассчитаны на непосредственную регистрацию частиц, поэтому в сцинтилляционном детекторе они дополняются фотокатодом.

  Параметры счетчиков Черенкова. Для регистрации быстрых заряженных частиц используются черенковские счетчики, основанные на регистрации излучения Вавилова - Черенкова это излучение возникает в том случае, когда скорость частицы больше фазовой скорости света в некоторой среде. Детектор состоит из радиатора, заполненного газом, жидкостью или прозрачной пластмассой, являющейся средой, в которой возникает излучение, и ФЭУ, конвертирующего вспышки света в импульсы тока.

  Отличительная особенность излучения Вавилова-Черенкова - очень малая его длительность, лежащая в субнаносекундном диапазоне. В зависимости от конструкции детектора, размеров радиатора, наличия фокусирующих устройств и их типа реальная длительность излучения составляет 10^-9 -10^-8 с. Естественно, что для регистрации столь кратковременных световых вспышек используются ФЭУ с высокими временными характеристиками.

  Сцинтилляционные детекторы с фотодиодами. С появлением достаточно чувствительных фотодиодов с большой рабочей площадью на них иногда стали выполнять сцинтилляционные счетчики. Фотодиоды в отличие от ФЭУ не задерживают сигнал, при этом время нарастания сигнала достаточно мало - не превышает 15 нс. Их межэлектродная емкость такая же, как выходная емкость ФЭУ, т. е. около 10 пФ. Однако световая чувствительность фотодиодов низка, примерно 100 мкА/лм, в то время как у ФЭУ она составляет в зависимости от числа динодов 100-1000 А/лм.

 

Рис. 1.4. Сцинтилляционный детектор с фотодиодом: 1 - сцинтиллятор; 2 - световод; 3 - фотодиод; 4 - усилитель.

 

 

  Поэтому в сцинтилляционном детекторе к фотодиоду подключается линейный усилитель (рис. 1.4). В данном случае фотодиод как бы заменяет фотокатод, а усилитель - умножительную часть ФЭУ. Усилитель должен обладать высоким коэффициентом усиления, малыми шумами и обеспечивать передачу быстро нарастающих сигналов. Лучше всего для этих целей подходят усилители с обратной связью по заряду.

  Исследование и сравнение сцинтилляционных детекторов с фотодиодами и с ФЭУ показывает, что при очень малых уровнях освещенности детекторы с фотодиодами имеют худшее отношение сигнала к шуму. Заметим, что возможно компромиссное решение, при котором вместо фотодиода применяется ФЭУ с малым числом динодов, подключенный к усилителю с необходимым коэффициентом усиления. В этом случае упрощается усилитель и для питания умножителя требуется источник с пониженным напряжением. Кроме того, из-за применения малодинодного ФЭУ повышается стабильность усилительного тракта всего умножителя, требуется источник с пониженным напряжением. Кроме того, из- за применения малодинодного ФЭУ повышается стабильность усилительного тракта всего детектора.

 

1.3 Цифровая регистрация событий характеристики регистрирующих устройств

1.3.1. ЗАДАЧИ РЕГИСТРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

  Регистрируемые при помощи детекторов излучений события, как правило, имеют статистический характер, поэтому в ядерной физике при различных измерениях для уменьшения вероятной ошибки производят подсчет большого числа событий. В простейших измерениях подсчитывают все импульсы, возникающие на нагрузке детектора; в более сложных спектрометрических исследованиях определяют число импульсов, имеющих определенную амплитуду либо возникающих в заданные интервалы времени и т. п. В экспериментальной ядерной физике чаще всего определяют абсолютное число событий. В этом случае легко вычитать фон и обрабатывать результаты на ЭВМ. Для измерения числа событий широко применяют электронную регистрирующую аппаратуру — счетчики и запоминающие устройства. С электронных счетчиков информация может быть передана на цифропечатающие, перфорирующие устройства или в ЭВМ для хранения и обработки. Запоминающие устройства обычно используют в сложных многоканальных спектрометрических приборах - анализаторах; они могут работать в качестве многоканальных счетчиков-регистраторов или как накопители для хранения кодов событий. В дозиметрических приборах, а также в промышленных установках- на реакторах, в геолого- и нефтеразведке часто необходимо измерять скорость счета, т. е. определять среднее число событий в единицу времени. Для этой цели применяют измерители скорости счета - интенсиметры, показания которых считываются со шкалы электрического прибора или вычерчиваются самописцем. В более сложных приборах предусмотрен цифровой вывод данных.

 

1.3.2. РАЗРЕШАЮЩЕЕ ВРЕМЯ И ПОГРЕШНОСТИ СЧЕТА ПРОСТЫХ РЕГИСТРАТОРОВ

  На регистрирующие устройства информация поступает в виде электрических импульсов или кодов определенных параметров событий. Исследуемые события, как правило, распределены во времени статистически, поэтому импульсы или коды поступают на регистрирующие устройства также по случайному закону. В качестве примера на рис. 1.5,а показана простейшая установка, состоящая из детектора Д, усилителя У и регистрирующего устройства РУ. Поступающие для регистрации сигналы распределены по случайному закону (рис. 1.5,6).

  Любому регистрирующему устройству необходимо некоторое время τ, чтобы зарегистрировать событие и “подготовиться” к приему нового, поэтому всегда есть вероятность того, что часть событий будет потеряна. В этом можно убедиться, анализируя закон распределения интервалов между статистически распределенными импульсами. Время τ называют временем разрешения (разрешающим временем) или мертвым временем; оно определяется как минимальный интервал времени, после которого возможна новая регистрация.

  Время  разрешения - очень важный параметр счетных устройств и в итоге определяет потерю информации. Кроме того, время разрешения может иметь разный характер, например, зависеть от загрузки, поэтому его следует рассматривать для конкретных регистрирующих устройств.

  Влияние времени разрешения на погрешности счета рассмотрим на примере простых регистраторов, в состав которых не входят электронные счетчики или пересчетные схемы. Простые регистраторы обычно комплектуются механическими счетчиками. Механический счетчик - электромеханическое устройство, состоящее из электромагнита с сердечником, к которому во время протекания по обмотке тока притягивается якорь. Последний входит в зацепление с зубчатым колесом, поворачивающимся на определенный угол. Зубчатое колесо связано с несколькими шестернями, на осях которых закреплены стрелки. По шкалам ведется отсчет единиц, десятков, сотен и тысяч зарегистрированных импульсов. Иногда применяют другие конструкции механических счетчиков.

  Для управления механическим счетчиком требуется импульс тока определенной величины и длительности. Если обмотки электромагнита рассчитаны на управление от транзисторных схем, то необходим ток порядка нескольких ампер. Длительность импульсов тока определяется значительной инерционностью деталей механизма и составляет несколько миллисекунд.

 

Рис. 1.5. Простейшая регистрирующая установка (а) и временные  диаграммы (б) к рассмотрению разрешающего времени регистрирующего устройства

 

Рис. 1.6. Управляющая  схема для механического регистратора: 1- времязадающая схема; 2 — усилитель тока, 3 - механический регистратор.

 

  Управляющие схемы для механических регистраторов обычно состоят из двух частей: первая - времязадающая часть - вырабатывает импульс определенной длительности τ, вторая - является усилителем тока (рис. 1.6). В качестве времязадающего генератора обычно используют схему одновибратора; усилитель тока выполняют на достаточно сильноточном транзисторе. Схема времязадающего генератора рассчитана на минимальное время восстановления, что важно для получения хорошего разрешения всего регистрирующего устройства.

  Разрешающее время управляющей электронной схемы и разрешающее время механического счетчика различны. В зависимости от соотношения между этими временами погрешности счета имеют разный характер.

  Система с постоянным временем разрешения. Время разрешения управляющей схемы τ, как правило, больше времени разрешения механического регистратора τ_р.

  Это условие легко выполнить в схемах с времязадающим генератором. Выбор такого соотношения позволяет исключить из рассмотрения времени разрешения регистратора τ_р, которое, может увеличиваться с ростом частоты поступающих сигналов. В данном случае время разрешения τ всей системы постоянно. Такую систему называют системой первого рода или системой с постоянным временем разрешения. Определим истинное число импульсов n₀, поступивших в единицу времени, в функции от числа зарегистрированных за то же время импульсов n.

  На рис. 1.7 на верхней оси времени отложены сигналы, поступающие на управляющую схему; на двух других показано время разрешения регистрирующей схемы τ и регистратора τ_р. Сигналы, поступающие в то время, когда схема нечувствительна, будут просчитаны. Схема не будет чувствительна в течение nτ и за это время не будет сосчитано nτn₀ импульсов. Так как полное число импульсов, поступивших на динод, равно сумме сосчитанных и несосчитанных импульсов, то можно записать n₀ = n+ nτn₀.

Рис. 1.7. Временные  диаграммы (к рассмотрению системы  с постоянным разрешающим временем)

 

  Отсюда:

n=n₀/(1+ τn₀)    (1.4)

или

 n₀=n/(1-nτ)      (1.5)

 

  Выражение  (1.4) показывает, что с ростом числа импульсов на входе просчеты увеличиваются: при достаточно большом числе входных импульсов наступает ≪насыщение≫ - регистратор считает постоянное число импульсов в секунду 1/τ. На практике удобно пользоваться величиной относительных просчетов

 

 η = (n₀ — n)/n.      (1.6)

 

  Используя  выражение (1.5), можно записать

 

     η ≈ n₀τ.             (1.7)

 

  В простых регистрирующих устройствах, не содержащих пересчетных схем, практически всегда необходимо учитывать просчеты, так как время разрешения механического регистратора τ_p велико и соответственно время разрешения управляющей схемы τ приходится выбирать не менее 10^-2 с. Поэтому просчеты более 1% наступают уже при поступлении на вход нескольких импульсов в 1 с. Для правильного введения поправок необходимо с достаточной точностью знать величину τ. Она может быть определена электронным способом, например при помощи генератора сдвоенных импульсов.

  Система с продлевающимся временем разрешения. Наряду с рассмотренной системой с постоянным временем разрешения возможна система второго рода, так называемая система с продлевающимся временем разрешения, когда τ<τ_р. В этом случае в обмотку электромагнита регистратора может поступить импульс тока до того, как якорь вернется в исходное положение (рис. 1.8), поэтому происходит как бы продление времени разрешения регистратора, а следовательно, и времени разрешения всей системы в целом. При достаточно большой частоте поступления импульсов якорь регистратора просто ≪прилипает≫ к электромагниту и счет прекращается. Определим, сколько импульсов в единицу времени будет сосчитывать система с продлевающимся временем разрешения, если на вход поступает за то же время n₀ импульсов. Вероятность того, что произошел отсчет в некотором малом интервале dt, равна ndt. В интервал τ_р, предшествующий dt, не должно поступить ни одного импульса. Вероятность последнего события находят по закону Пуассона, она равна:

ехр(-nτ_р), поэтому можно записать:

 

                          ndt = (n₀dt) ехр (- n₀τ_p),                (1.8)

 

или

 

                            n = n₀ ехр (- n₀τ_p).                      (1.9)

 

Рис. 1.8. Временные  диаграммы к рассмотрению системы  с продлевающимся разрешающим временем

 

  Зависимость  (1.9) для системы с продлевающимся временем разрешения имеет максимум при n₀ = 1 /τ_p, а при достаточно большом n система, как уже указывалось, перестает считать.

Рис. 1.9. Универсальные счетные характеристики: 1 - для системы с продлевающимся временем разрешения; 2 - для системы с постоянным временем разрешения; 3 - для идеальной системы с временем разрешения, равным нулю.

 

  Время разрешения регистратора τ_р можно определить экспериментально. Для этого источник радиации приближают к детектору до получения максимальных отсчетов. Для сравнения систем с постоянным и продлевающимся временем разрешения на рис. 1.9 приведены универсальные счетные характеристики nτ = f (n₀τ). Чтобы уменьшить погрешности счета, перед простыми регистраторами с механическими счетчиками включают электронные редукторы и пересчетные схемы.