Содержание к диссертации
Введение
1. Общие принципы цифровой обработки сигнала 14
1.1 Аналоговые и цифровые методы обработки сигнала 14
1.2 Аппаратные средства ЦОС систем для IBM PC 16
1.3 Программное обеспечение ЦОС систем для IBM PC 24
1.4 ЦОС-алгоритмы, для эмуляции работы наиболее распространенных в эдерно-физическом эксперименте электронных блоков 33
1.5 Выводы к главе 1 43
2. Цифровой спектрометр для регистрации легких заряженных частиц, сопровождающих деление 45
2.1 Свойства CsI(Tl) 45
2.2 Изучение люминесцентных свойств кристалла CsI(Tl) цифровыми методами 49
2.3 Применение кристалла CsI(Tl) в спектрометре для регистрации тройного деления 63
2.4 Изучение тройного деления 232Th 71
2.5 Выводы к главе 2 77
3. Цифровой спектрометр для регистрации мгновенных нейтронов деления 79
3.1 Установка для отработки алгоритмов получения амплитудных распределений и n-у разделения 80
3.2 Изучение отклика спектрометра 83
3.3 Разделение нейтронов и у-квантов 87
3.4 Время-пролетные измерения 96
3.5 Выводы к главе 4 101
Заключение 102
Список литературы 105
- Аппаратные средства ЦОС систем для IBM PC
- ЦОС-алгоритмы, для эмуляции работы наиболее распространенных в эдерно-физическом эксперименте электронных блоков
- Изучение люминесцентных свойств кристалла CsI(Tl) цифровыми методами
- Изучение отклика спектрометра
Введение к работе
Почти все события деления сопровождаются эмиссией легких частиц, если принять во внимание нейтроны, испаряющиеся из осколков. Этот процесс вызывает наибольший интерес для понимания динамики процесса деления. Эмиссия легких частиц является поставщиком уникальной информации о ранних стадиях эволюции делящейся системы.
Энергетические и угловые распределения частиц, сопровождающих деление, несут в себе наиболее прямую информацию о деформации и взаимном расположении осколков непосредственно в момент разрыва делящейся системы.
Для исследования данных событий традиционно используются системы из двух или более (АЕ+Е) полупроводниковых детекторов [1, 2]. Такая схема эксперимента обладает низкой светосилой, и нашла свое применение при спонтанном делении и делении под действием тепловых нейтронов, где можно обеспечить необходимую для анализа статистику. Кроме того, очевидным недостатком такой системы является высокий порог регистрации легкой частицы, который определяется полным ее поглощением в АЕ детекторе. Другим примером установок данного типа являются сложные многодетекторные устройства с большой эффективностью регистрации легкой частицы [3]. Детекторы этого типа прекрасно зарекомендовали себя, однако громоздкость и сложность таких установок делает невозможным их использование на пучках не только быстрых, но и тепловых нейтронов, а надежность и стабильность существующего на данный момент электронного оборудования ставят на этом пути принципиальный предел.
В то же время целый ряд ядер, делящихся исключительно быстрыми нейтронами, до сих пор остаются за рамками исследований. Особый интерес также вызывает зависимость выхода тройного деления от энергии возбуждения делящегося ядра, что возможно только при использовании быстрых нейтронов. В сотни раз более низкое сечение деления быстрыми нейтронами в сочетании с большим гамма фоном от нейтронной мишени и жесткими геометрическими ограничениями при работе на ускорителе приводит к необходимости разработки новых детекторных систем, отвечающих поставленным условиям.
При разработке новых методов регистрации частиц, сопровождающих деление, было осознано, что за последние годы не появлялось принципиально новых детекторов или электроники, которые позволили бы добиться качественного прогресса в экспериментальной ядерной физике. Наряду с этим происходит бурное развитие вычислительной техники и устройств дискретизации аналоговых сигналов, что позволяет принципиально изменить схему сбора и обработки экспериментальной информации. Кроме того, использование хорошо развитых математических методов, таких как Фурье анализ и метод наименьших квадратов, позволяет выделять из формы сигнала дополнительную, недоступную на сегодняшний день аналоговым методам информацию. Цифровые технологии были удачно применены в связи, звукозаписи, радиолокации. В настоящее время физики начали успешно их применять при проведении ядерно-физических экспериментов. Как аналоговый, так и цифровой методы направлены на получение определенной информации, содержащейся в форме сигнала. При аналоговой обработке сигнал проходит ряд электронных модулей, выполняющих с ним определенные манипуляции. Процесс обработки в этом случае необратим. С другой стороны, цифровые технологии позволяют воспроизвести алгоритмы работы аналоговых электронных модулей. К тому же цифровая обработка сигнала, по сравнению с аналоговой, имеет ряд преимуществ - слабая зависимость от факторов внешней среды, гибкость, компактность, большая информативность, повторяемость.
Некоторые прикладные задачи требуют аналоговых решений, так как быстродействие аналоговой электроники выше. Но, несмотря на меньшее быстродействие, при изучении таких редких событий, таких как тройное деление, применение цифровых технологий может оказаться эффективным.
В настоящей работе представлены результаты деятельности автора по разработке новых методов регистрации частиц сопровождающих деление, с использованием цифровых технологий обработки сигнала. А также опыт эксплуатации цифровых спектрометров в ядерно-физических экспериментах. Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка, создание и тестирование цифровых спектрометров предназначенных для регистрации частиц сопровождающих деление ядер. Исследования такого редкого явления, каковым является тройное деление, накладывает особые требования к надежности идентификации событий. Разработка методов цифрового подавления фонов особенно актуальная при проведении экспериментов в интенсивных полях быстрых нейтронов. Внедрение цифровых методов в экспериментальную ядерную физику позволило не только увеличить объем получаемой от детектора информации, но и принципиально улучшить ее качество, что позволило успешно провести ряд практических измерений вероятности тройного деления. Актуальность работы:
1) На основе технологии цифровой обработки сигналов разработан спектрометр, пригодный для регистрации частиц сопровождающих деление. Спектрометр обладает большой светосилой и способен эффективно работать в полях быстрых и тепловых нейтронов, позволяет получать информацию об энергиях и углах вылета и типе легкой частицы.
2) Повышение стабильности работы спектрометра - электронные элементы, входящих в состав модулей аналоговых спектрометров меняют свои характеристики в зависимости от условий окружающей среды (температура, влажность, напряжение сети) и времени их эксплуатации. При использовании цифровых технологий, используя программные приложения, заменяющие электронные модули, стабильность работы спектрометра возрастает.
3) Увеличение снимаемой со спектрометра информации — в аналоговой электронике практически все имеющиеся ресурсы уже задействованы. С использованием цифровых технологий появляется возможность на новом уровне проводить анализ формы импульса и извлекать из нее дополнительную информацию, с помощью математических методов.
4) Подавление фоновых событий - в методиках, базирующихся на аналоговой электронике, развиты мощные методы подавления фоновых событий. В то же время, используя такие свойства цифровой обработки сигналов, как программируемость и повторяемость, можно выделить фоновые сигналы, детально изучить их отличия от обычных сигналов и создать алгоритм их подавления, оптимально подходящий для данной спектрометрической установки.
5) Улучшение энергетического разрешения спектрометра - эта задача всегда является актуальной. Средствами аналоговой электроники нелегко улучшить этот параметр. Средствами цифровой обработки сигналов, сконструировав индивидуальный фильтр, можно улучшить энергетическое разрешение, например, за счет подавления помех.
6) Улучшение функции отклика детектора - средствами цифрового анализа формы сигналов можно попытаться выделить разные группы событий и за счет этого упростить функцию отклика спектрометра.
7) Обратимость обработки - аналоговый процесс обработки данных выполняется непосредственно в течение измерений и необратим. В случае ошибки при выборе параметров электронных блоков, из которых набирается спектрометр, происходит потеря информации. Цифровые технологии позволяют разнести во времени процесс накопления информации и ее обработки, и экспериментатор может проводить обработку неограниченное количество раз.
8) Выделение наложенных импульсов - в аналоговой электронике существуют различные схемы подавления наложенных импульсов. А цифровые технологии, кроме больших возможностей по поиску наложенных сигналов, при повторяемости обработки, учитывая индивидуальную, для данного детектора, форму сигналов, дают в руки экспериментатора возможность значительно повысить загрузочную способность спектрометра.
9) Изучение «предыстории» события - для экспериментатора становится доступна для анализа не только область самого сигнала, но и поведение нулевой линии в интервале времени, непосредственно предшествующий моменту наступления события.
Личный вклад автора: При непосредственном участии автора: 1) Спроектирован и изготовлен сцинтилляционный детектор на основе кристалла CsI(Tl). 2) Разработаны алгоритмы и написан ряд программ для накопления информации в ходе ядерно-физического эксперимента, с использованием оцифровщика формы импульса фирмы Le Сгоу 2262, фирмы Acqiris DPI 11 и ВАЦП. 3) Изучены люминесцентные свойства кристалла CsI(Tl). 4) Спроектирован и изготовлен сцинтилляционный детектор легких частиц на основе тонкого кристалла CsI(Tl) большой площади. Проведено изучение выходов тройного деления для спонтанного деления 252Cf и вынужденного деления 232Th. 5) Спроектирован и изготовлен цифровой спектрометр на основе стильбена. 6) Проведены тестовые измерения время-пролетных и амплитудных спектров нейтронов спонтанного деления Cf. 7) Написана библиотека подпрограмм для анализа формы импульсов от сцинтилляционных детекторов. Диссертация состоит из 3 глав.
В первой главе описаны основные требования, которыми руководствуются при выборе частоты и разрядности оцифровщика, а также длины цифровой осциллограммы в зависимости от конкретной физической задачи, стоящей перед экспериментатором. Приведены требования к программно-аппаратному обеспечению. Проанализированы и описаны требования к программированию систем сбора информации, обоснованы требования к модульности разрабатываемого программного оснащения. Описано созданное программное обеспечение для оцифровщика формы импульса LeCroy 2262 (стандарт САМАС), реализованное на ПК IBM PC с процессорами Intel 386, 486, Pentium, для различных операционных систем. Изложено созданное программное обеспечение к оцифровщику модели Acqiris DPI 11 (PCI стандарт), для операционной системы Windows 98, в программных средах Visual Basic и Visual C++. Определены алгоритмы, моделирующие принцип работы наиболее распространенных модулей, используемых при аналоговой обработке сигналов.
Во второй главе подробно описана конструкция изготовленного сцинтилляционного детектора на базе кристалла CsI(Tl). Приведена блок схема электроники, включающая оцифровщик формы импульса модели
LeCroy 2262. Приведены измеренные люминесцентные свойства кристалла CsI(Tl). Показано, что разработанный алгоритм анализа вклада быстрой компоненты позволил достичь в 2-3 раза лучшего разделения частиц по типу, по сравнению с аналоговым методом. Приводится описание канала регистрации длиннопробежных частиц сопровождающих деление, на базе кристалла CsI(Tl). Сцинтилляционный детектор использовался в качестве детектора длиннопробежных частиц, возникающих при тройном делении. Описана схема спектрометра, технология его сборки и тестирование. Приведены результаты детального изучения спектров легких частиц при спонтанном тройном делении Сг, приведены результаты измерения выходов тройного деления 232Th быстрыми нейтронами с энергией 1,6 МэВ, 1,8МэВи2,2МэВ. Третья глава посвящена разработке методики цифрового канала регистрации мгновенных нейтронов и у-квантов, сопровождающих деление, при помощи стильбена, с использованием оцифровщика формы импульса модели Acquis DPI 11. Было показано, что созданный цифровой спектрометр позволяет проводить как амплитудные, так и временные измерения. Показано, что форма и качество сигналов сильно зависит от типа ФЭУ. Описана методика разделения нейтронов и у-квантов с помощью корреляционного анализа. Проведены тестовые измерения спектра мгновенных нейтронов, при спонтанном делении Cf Показано, что созданная по данной методике спектрометрическая установка, в счетном режиме, эффективно работает при пиковых загрузках до 100 МГц. Точность временной отметки составила 1 не.
Научная новизна: Впервые метод цифровой обработки сигнала применен при детектировании длиннопробежных частиц возникающих при тройном делении Cf и при вынужденном делении Th. Полученное цифровым
методом качество разделения частиц по типу превосходит аналоговые методы в 1.5-2 раза. Впервые, с применением технологии цифровой обработки сигналов, измерены люминесцентные свойства кристалла CsI(Tl). Впервые разработан и использован метод корреляционного анализа цифровых сигналов от детектора на основе стильбена. Создан цифровой
4» спектрометр, позволяющий улучшить качество экспериментальных данных
(временное и энергетическое разрешение и разделение п от у - квантов). Впервые, с применением технологий цифровой обработки сигнала, были проведены измерения спектра мгновенных нейтронов, сопровождающих спонтанное деление 252Cf
На защиту выносится:
1. Метод регистрации длиннопробежных частиц, основанный на использовании сцинтилляционного экрана из CsI(Tl) и оцифровщика формы импульса.
2. Метод регистрации нейтронов при помощи органического сцинтиллятора, основанный на цифровой обработке сигналов.
3. Метод определения люминесцентных свойств неорганических сцинтилляторов и результаты измерения времен высвечивания и вкладов различных компонент сцинтилляционной вспышки в кристалле CsI(Tl). Метод разделения частиц по типу, основанный на технологии цифровой обработки сигналов. 4. Программное обеспечение для накопления экспериментальной информации от оцифровщиков разного типа, реализованное в разных операционных системах, с использованием возможностей локальных вычислительных сетей. Библиотека подпрограмм для анализа формы импульсов от сцинтилляционных детекторов. Апробация работы. Результаты, представляемые в диссертационной работе, докладывались на международной конференции в Братиславе (IYNC) 2000, на международных семинарах в Обнинске (International Workshop Nuclear Fission Physics) 1998, 2000, Дубне (ISINN) 2000, 2002, 2003, а также опубликованы в журналах, трудах конференций и препринтах института [33, 36, 68-75, 93, 95, 96, 100, 115-122, 126, 127, 137].
Примечание: В дальнейшем изложении диссертации, в спектрах ошибки являются статистическими и, во избежание загромождения рисунков, графически отображаться не будет.
Аппаратные средства ЦОС систем для IBM PC
Существующий подход к использованию и проектированию ЦОС систем на базе компьютеров общего назначения требует дополнительных устройств (плат, модулей) для реализации сложных процессов обработки информации, как в режиме реального времени, так и после записи информации на жесткий диск компьютера [11]. Класс таких устройств представлен модулями, конвертирующими аналоговый сигнал в цифровой и ЦОС процессорами, которые, обладая мощной вычислительной структурой, позволяют реализовать сложные алгоритмы обработки информационных потоков. Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой код, называют оцифровщиком формы импульса (ОФИ, оцифровщик или быстрый аналого-цифровой преобразователь). Оцифровщик, через фиксированные промежутки времени (интервал дискретизации), преобразует напряжение на его входе в соответствующее этому напряжению число (квантование, или I дискретизация, сигнала по уровню). В результате преобразования, поступивший на его вход сигнал представляется последовательностью чисел, соответствующих величине входного сигнала в определенные промежутки времени (цифровая осциллограмма). Развитие прикладных математических методов, которые позволяют +] извлекать различного рода информацию из цифрового сигнала [12], потребовало создания специального устройства, с гибкой архитектурой и широким спектром команд, ориентированных на векторные и циклические операции, - таким устройством и стал цифровой сигнальный процессор (ЦОС процессор) [13].
При обработке сигнала экспериментатор стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и цифровых методов, так как все детекторы являются аналоговыми устройствами. Поэтому, при подготовке сигнала к цифрованию, часто используется предварительная аналоговая обработка .
В состав схемы входят: детектор излучений; аналоговая электроника предварительного усиления и обработки сигналов; аналоговый фильтр высоких частот; логическая схема отбора событий; блок задержки стопового сигнала, оцифровщик импульсов; компьютер, управляющий экспериментом, и ЭВМ, исполняющая роль ЦОС процессора. - Предварительный усилитель необходим для того, чтобы увеличить амплитуду сигналов, снимаемых с детектора, до величин, которые способны воспринимать оцифровщик и блок логики. Аналоговый фильтр высоких частот - необходимый элемент схемы, при цифровой обработке сигналов. Он не пропускает на вход оцифровщика v\ те частоты, которые тот не способен корректно оцифровать. В любой момент времени во внутренней памяти оцифровщика хранится история поведения входного сигнала. Длина цифрового сигнала определяется объемом внутренней памяти используемой модели оцифровщика. При поступлении на специальный, столовый, вход сигнала от V схемы отбора событий, оцифровщик останавливается, после чего данные пересылаются в оперативную память ЭВМ. Логика работы схемы отбора событий индивидуальна для каждого конкретного эксперимента, и схема собирается экспериментатором из стандартных электронных блоков [14].
Для того, чтобы информативная часть сигнала (переходной процесс, происходящий в детекторе) находилась в середине цифровой осциллограммы, стоповый сигнал необходимо задержать на некоторое время. При этом для анализа становится доступным поведение нулевой линии до и после появления сигнала. В зависимости от типа детектора и технических характеристик оцифровщика некоторые элементы цифрового спектрометра могут не присутствовать в явном виде. Так, например, при работе со сцинтилляционным детектором роль предварительного усилителя может выполнять ФЭУ [15].
В процессе выбора ОФИ экспериментатору необходимо хорошо представлять как процессы, протекающие в детекторе, так и технические характеристики оцифровщика. Так, если аналоговый сигнал, в амплитуде которого заложена информация, может изменяться в пределах от 0 до 1.5 В, а разрядность оцифровщика составляет 10 бит, то максимальный уровень шума можно рассчитать по формуле: А=7Г (1) Где Аг - максимальная амплитуда на входе ОФИ, Aw - максимальный возможный шум, a Df - разрядность (цифровой формат) оцифровщика. Так максимальный уровень шума для ОФИ модели LeCroy 2262 [16] составил 1.46 мВ. Если шаг квантования значительно превосходит уровень аналогового шума, уже содержащегося в сигнале, то это может привести к потере точности измерения.
ЦОС-алгоритмы, для эмуляции работы наиболее распространенных в эдерно-физическом эксперименте электронных блоков
В экспериментальной ядерной физике развит целый набор методов аналоговой обработки сигналов от детекторов излучений. Набор аналоговой электроники, используемой в каждом эксперименте, можно отнести к аналоговым ЭВМ [43], имевшим широкое распространение на заре развития вычислительной техники. Спецификой такого способа обработки является высокая скорость, с которой она производится. К недостаткам можно отнести сложность реализации алгоритмов обработки информационных потоков. К тому же аналоговая электроника обрабатывает все импульсы от детектора одинаковым образом, независимо от их параметров и природы. На практике встречаются ситуации, когда необходима индивидуальная настройка алгоритма на каждый конкретный импульс. С применением ЦОС технологий разработаны алгоритмы работы наиболее широко применяемых аналоговых блоков - это быстрый и спектрометрический усилители, дискриминатор импульсов, схемы совпадений и антисовпадений, схемы задержки импульсов, модули одноканального анализатора, ВАЛ и АЦП.
Быстрый и спектрометрический усилители. В ядерной электронике с помощью усилителя решается широкий круг задач - это усиление сигнала в широком диапазоне амплитуд, улучшение отношения сигнал/шум и формирование импульса. Основные требования, предъявляемые к спектрометрическому усилителю, следующие: плавная регулировка усиления в широких пределах, широкий динамический диапазон, быстрое восстановление после перегрузки, малый собственный шум, слабая чувствительность к пульсациям питающей сети, минимальный микрофонный эффект, линейность и долговременная стабильность усиления, широкая и регулируемая полоса пропускания [44]. Предъявленные требования легко реализуются с помощью ЦОС технологий [45, 46].
Спектрометрический усилитель, кроме функции усиления сигнала, решает следующие задачи: формирование импульса и улучшение отношения сигнал/шум. Независимо от природы шума (шум детектора, переходных цепей, шум вносимый электроникой) их амплитуда на выходе усилителя будет пропорциональна ширине полосы пропускания [14]. Значит, ширина полосы должна быть сокращена до минимально возможной величины. Методы цифровой фильтрации, основанные на технике свертки [17, 47], позволяют выполнить операции аналогичные тем, что выполняет аналоговый , спектрометрический усилитель. Такой фильтр должен подавлять высокочастотные и низкочастотные шумы и пропускать основную часть частот, формирующих изучаемый сигнал. Необходимая ширина и форма полосы пропускания фильтра могут быть получены путем выбора соответствующего ядра цифрового фильтра [48-62]. При этом явно видны преимущества цифровой обработки сигнала: отсутствует собственный шум и микрофонный эффект, не возникают перегрузки, нет сбоя по питанию, при этом гарантируются абсолютные линейность и стабильность моделируемого усилителя. Дискриминаторы импульсов. В экспериментальной ядерной физике часто возникает необходимость в измерении временных интервалов. Измерение времени используется, например, для определения энергии нейтронов в методе времени пролета. Точность временных измерений определяется как датчиками временной информации, так и методами и способами обработки этой информации [14, 44, 63, 64]. Момент детектирования совпадает с началом нарастания импульса. Методами аналоговой электроники были реализованы различные схемы, оценивающие положение начала сигнала. Наибольшее применение нашли дискриминаторы с фиксированным и со следящим порогом.
Для этого необходимо произвести сортировку массива, содержащего экспериментальные данные до того момента, пока текущее значение сигнала не превысит заданное значение. Отобрав несколько точек в окрестности найденного положения, можно, используя МНК, найти приближение гладкой функцией (например прямой или параболой). Используя найденные параметры, можно рассчитать положение точки пересечения сигналом заданного уровня, в том числе и нулевой линии.
Алгоритм работы дискриминатора со следящим порогом был в деталях воспроизведен программными средствами (рис. 7). Создавалась копия исходного сигнала, которая инвертировалась, масштабировалась (уменьшалась 10 раз) и смещалась по оси времени на время нарастания исходного сигнала.
Схемы совпадений и антисовпадений. Они позволяют регистрировать частицы и кванты с заданной между ними корреляцией во времени. Принцип действия схемы совпадения аналогичен логическому действию И, антисовпадений - действию НЕ. Время разрешения основная характеристика схемы совпадений, оно определяется как временной интервал, с точностью до которого схема совпадений устанавливает одновременность событий. Как все логические алгоритмы, принцип работы схемы совпадений может быть воспроизведен программным путем (рис. 8). Рисунок 8. Блок-схема алгоритма, моделирующего схему совпадений. LOG - признак совпадения, Т — заданный временной интервал, ТІ, Т2 — сравниваемые величины.
Программа вычисляет разницу времен появления импульсов и сравнивая её с заданной величиной (временем разрешения схемы совпадения) на основании чего принимается решение о целесообразности принятия или непринятия данного события для дальнейшей обработки. Схемы задержки импульсов можно разделить на два класса в зависимости от типа сигналов, которые необходимо задержать, логические или аналоговые. Задержка логических импульсов связана с необходимостью синхронизировать во времени некоторые управляющие сигналы. Проблема задержки логических сигналов решается методами аналоговой электроники посредством коаксиального кабеля (5 не на 1 м 50 Ом кабеля), прецизионных одновибраторов, или при помощи генераторов высокой частоты и счетчиков импульсов. Однако задержка аналоговых сигналов на время более 100 не приводит к значительным искажениям формы сигнала и следовательно к потере информации [14, 65]. Методами ЦОС задержка импульсов может быть выполнена путем сдвига сигнала по временной оси на заданный временной интервал.
Время-цифровой преобразователь (ВШТ). Назначение этого модуля -измерение временного интервала между двумя сигналами. В классической электронике был разработан ряд методов, позволяющих проводить измерение малых временных промежутков — метод задержанных совпадений, нониусный метод, преобразование времени в амплитуду и другие [14, 66]. Для ЦОС технологий работа модуля ВЦП эквивалентна вычислению разницы времен появления двух сигналов. Измерение временных интервалов может быть осуществлено несколькими способами: 1) Два сигнала поступают по одному входу.
Изучение люминесцентных свойств кристалла CsI(Tl) цифровыми методами
В работе использовался кристалл CsI(Tl), предназначенный для регистрации у-излучения. Конструктивно он был реализован в стандартной металлической упаковке с отражателем из MgO. Для регистрации а-частиц и протонов было необходимо освободить входной торец детектора и в то же время обеспечить хорошее отражение света на всей поверхности кристалла. Для этого из имеющегося кристалла, путем распиливания и последующей шлифовки, были изготовлены три кристалла диаметром 12.5 мм и толщиной 12, 9 и 3 мм. Для оптимального использования интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе, на боковую поверхность кристалла наносили слой материала, отражающего свет, а к входному торцу прижимали алюминиевую фольгу.
В качестве светоприемника использовался ФЭУ на дискретных динодах, со спектральной чувствительностью в области 700 - 800 нм. Измерения проводились с ФЭУ-176 («Калуга») и ФЭУ-118. Было установлено, что у ФЭУ-176 спектральная чувствительность фотокатода лучше соответствует спектру излучения CsI(Tl), что позволяет добиться лучшего соотношения сигнал/шум. Оптический контакт между кристаллом CsI(Tl) и ФЭУ, обеспечивался путем введения синтетического масла ВМ-6.
Для изучения спектрометрических и временных свойств кристаллов CsI(Tl) в качестве источника а-частиц, Р - частиц и у-лучей использовался коллимированный пучок (слой Ra-226, коллиматор: ф 1.5 мм, толщина 0.2 мм). Сцинтилляционный детектор упаковывали в металлический контейнер, непроницаемый для внешнего света (рис. 13). Сигналы с анода ФЭУ поступали на спектрометрический усилитель с временем формирования (ЯС)диф = (RC), = 4 мкс а затем на вход АЦП. Сигналы с динода ФЭУ после быстрого усилителя использовались для временного анализа. На рис. 14 приведены спектры амплитуд импульсов от гамма-лучей Cs-137 (а), от гамма-лучей Ra-226 (b) и от альфа- и бета-частиц Ra-226 (с). При изменении толщины кристалла с 12 мм до 3 мм амплитуда импульсов, соответствующих альфа-пику с энергией 7.69 МэВ, выросла с 200 канала до 320 канала, а разрешение пика улучшилось с 4.5% до 3.7%. Данный эффект может быть связан худшими условиями для сбора света на фотокатоде ФЭУ.
Была исследована зависимость световыхода кристалла от энергии у-лучей и а -частиц (рис.15). В качестве у-источников использовались Am-241, Cs-137, Со-60. В качестве а-источника использовали Ra-226 с набором стандартных колец, создающих фиксированные воздушные промежутки, чтобы за счет потерь в воздухе в кристалл CsI(Tl) попадали а-частицы различных энергий [92].
Блок-схема системы сбора информации. Для перевода в цифровую форму сигнала от сцинтилляционного детектора использовался оцифровщик формы импульса, модель Le Сгоу 2262 [16]. При максимальной частоте дискретизации в 80 МГц и 10-ти разрядном представлении оцифрованного сигнала данный прибор позволяет с высокой скоростью преобразовать входной аналоговый сигнал в последовательность чисел, соответствующих величинам входного сигнала через каждые 12.5 не. На вход оцифровщика, после быстрого усилителя CANBERRA TFA 2111, подавались токовые импульсы с анода ФЭУ. Остановка оцифровщика происходила посредством сигнала с динода ФЭУ после быстрого усилителя, дискриминатора ORTEC 473А со следящим порогом и задержки 4 мкс.
При исследовании люминесцентных свойств CsI(Tl) планировалось управление одним процессом реального времени в сочетании с эпизодическим выполнением графического отображения результатов измерений. Исходя из требований [п. 1.3] программа обслуживания эксперимента реализована в фоново-оперативном режиме, для выполнения этой задачи вполне подошла ОС MS-DOS 6.22.
В качестве источников излучения использовался Ra-226 (а-частицы, Р-частицы, у-лучи). Кроме того путем рассеивания быстрых нейтронов от Pu-Ве источника на тонкой полиэтиленовой пленке в детектор могли попадать быстрые протоны (рис. 13).
Конвертированный оцифровщиком токовый сигнал записывался, событие за событием, на жесткий диск компьютера для последующего анализа. Каждое событие характеризовалось массивом из 512 чисел в диапазоне от 0 до 1024.
Пример разложения спадающей части сигнала с анода ФЭУ на две экспоненты. Верхний рисунок - сигнал от электрона, нижний от а-частицы. Для сопоставления результатов, получаемых с использованием ОФИ и полученных традиционным способом, рассчитали так же интегралы сигналов в заданных временных окнах (0.4 мкс, в начале сигнала).
В результате обработки объем хранимой на диске информации уменьшился. Специально написанная программа позволяла делать выборки из массива обработанных данных в виде одно и двух мерных спектров по различным переменным.
Изучение отклика спектрометра
На стадии отладки спектрометра использовалась программа (текст программы был написан на языке Visual Basic и LabWindows/CVI), позволяющая осуществлять графический просмотр накапливаемых осциллограмм в режиме реального времени. В процессе измерения использовалась программа с минимальным пользовательским интерфейсом (текст программы был написан на языке Visual С). Программа накапливала большие объемы выходной информации в оперативной памяти компьютера, это позволило оптимизировать работу системы накопления за счет уменьшения числа обращений к жесткому диску ЭВМ (см. п. 1.3). Программа накопления функционировала на компьютере Pentium 3 с тактовой частотой 1.2 ГГц, объемом оперативной памяти 256 Мб и объемом жесткого диска 80 Гб. Тестирование системы накопления на периодических импульсах от генератора показало, что она способна надежно функционировать при частотах входных импульсов вплоть до 5 кГц. Для калибровки и изучения свойств спектрометра использовался набор стандартных гамма источников и источники нейтронов — 252Cf и РиВе. 3.2 Изучение функции отклика спектрометра.
Для исследования возможных искажений формы сигнала, за счет ограниченной полосы пропускания усилителя оцифровщика (время нарастания импульсов, эффекты Гиббса), на его вход были поданы прямоугольные импульсы с временем нарастания переднего фронта 0.15 не. Пример полученного цифрового сигнала можно видеть на рисунке 38.
Импульсы для электронов и протонов, полученные усреднением по 1000 событий. Имеющие одинаковую площадь импульсы для электрона и протона (соответствует энергии электронов 1 МэВ), полученные путем усреднения по 1000 событий, показаны на рисунке 41. Несмотря на очевидную разницу в форме эти два импульса имеют ряд общих черт:1) время нарастания для обоих импульсов примерно одинаково; 2) на спадающей части импульса видны осцилляции, коррелированные с началом импульса ( 5 не).
Данные осцилляции не могут быть объяснены эффектами Гиббса (см. рис. 38). Из этого можно сделать вывод — ФЭУ, в процессе регистрации световой, вспышки ведет себя как сложная система, которая не только уширяет первоначальное распределение фотоэлектронов, но и способна к генерации на определенных частотах [15]. Это утверждение находит свое подтверждение при анализе формы сигналов от других типов ФЭУ. На рисунке 41 показаны импульсы от ФЭУ ХР2041 и RCA8575. Для разных ФЭУ масштаб и частота осцилляции сильно отличаются, это еще один аргумент того, что природа осцилляции связана с конструкцией фотоприемника. Форма импульса от стильбена может быть описана как сумма трех экспонент: быстрой со временем спада импульса Tf=4.05 не и двух медленных с временами хі=33 не и Т2=270 не. Среднее время заселения высвечивающих центров довольно мало: То=0.1 не. Начальная часть импульса определяется быстрой компонентой сцинтиллятора и частотной характеристикой ФЭУ. Выходной импульс от сцинтилляционного детектора описывается уравнением Фредгольма первого рода [128-130]: S(t) = \R{t9f)I{f)d? (8). Где I(t ) — интенсивность светового излучения в момент времени t , а R(t,t ) -функция отклика ФЭУ.
Проведенный анализ показал, что ФЭУ значительно влияет на выходной импульс от сцинтилляционного детектора, и использование метода разделения частиц по типу, разработанного для CsI(Tl) (см. п. 2.2), неэффективно из-за больших погрешностей при определении параметров компонент сцинтилляционной вспышки. Поэтому при извлечении информации из формы импульсов был предложен иной метод, основанный на корреляционном анализе.
Методика обработки цифровых осциллограмм сводилась к последовательному выполнению следующих операций: 1) анализ цифрового сигнала на предмет насыщения; 2) анализ на присутствие в цифровом сигнале более чем одного импульса; 3) вычисление площади токового сигнала; 4) используя текущую цифровую осциллограмму и целевой сигнал, полученный усреднением (см. рис. 40), вычисляется корреляционный сигнал; 5) путем анализа полученного корреляционного сигнала определяются временя появления события и тип частицы. Анализ цифрового сигнала на предмет его насыщения. Экспериментальная установка обладает конечным диапазоном по амплитуде поступающих импульсов. При АОС импульсы, амплитуда которых превышает некий порог, будут искажены и потеряны для данного эксперимента. Насыщение присуще и цифровому спектрометру. На рисунке 42 показан пример такого сигнала. Рисунок 42. Пример насыщенного сигнала (точки) и его реконструкции (сплошная линия). Использование ЦОС технологий позволяет расширить динамический диапазон спектрометра. Это возможно в случае органического сцинтиллятора, где форма сигналов консервативна и в зависимости от энергии, потерянной частицей в кристалле, меняется только площадь токового импульса, снимаемого с анода ФЭУ. Цифровая обработка сигналов позволяет получать усредненный сигнал для данного типа частиц (рис. 40). Используя эту стандартную форму сигнала, можно восстановить насыщенную часть импульса. Для этого из сигнала удаляются все точки, соответствующие «насыщению». Аналогичные точки удаляются из образцового сигнала. После этого, в итерационной процедуре ищется масштабный множитель для образцового сигнала, при котором сумма наименьших квадратов отклонения его от насыщенного сигнала становится минимальной. После этого исходный сигнал в области насыщения дополняется соответствующими значениями, взятыми из масштабированного образца. Пример такого восстановления показан на рисунке 42 сплошной линией.
