Presentation2 (3 010 560 байтов)

Программа курса
"Электроника детекторных систем"
(3 курс, 6 семестр, 32 часа, экзамен)
Проф. В.М.Аульченко
3.
Основные функции электронной
аппаратуры в ЯФ.
структурные схемы каналов регистрации
структурная схема процессора отбора
событий.
Газовые счетчики.
классификация
режимы работы
искровые камеры, способы съема
информации.
плоская ионизационная камера
пропорциональные камеры - конструкция,
временное и пространственное разрешение
Считывание информации с МПК.
4.
дискретное, аналоговое
съем второй координаты
Дрейфовые камеры.
5.
требования к газовым смесям
модификации ДК
пространственное и временное разрешение
ДК.
Электроника ДК.
1.
2.
классификация, основные требования к
электронике ДК.
многоканальная схема кодировки времени
дрейфа
гибридная сборка "усилитель формирователь" К243АГ1
гибридная схема УФ с токовым входом
линейный предусилитель для ДК
6. Сцинтилляционные счетчики.
общие требования к сцинтилляторам
ФЭУ, характеристики, форма импульса
черенковские счетчики
7. Полупроводниковые кристаллические
детекторы.
конструкция, основные параметры
P-I-N диод
8. Калориметры.
назначение; типы калориметров
основные требования к калориметрам и их
электронике
калориметры детекторов СНД и КЕДР
спектрометрический канал детектора СНД
устройство выборки и хранения
9. Преобразование АНАЛОГ-ЦИФРА.
амплитудный дискриминатор как простейший
анализатор
дифференциальный дискриминатор
многоканальные анализаторы прямого и
косвенного действия
преобразователи Вилкинсоновского типа,
структурная схема
преобразователь поразрядного уравновешивания,
структурная
схема
понятие о дифференциальной и интегральной
нелинейностях
скользящая шкала
микросхема КГО1-ПТ1, схемы включения
10. Линейные пропускатели.
14. Системы запуска современных детекторов.
основные требования и основные параметры
соотношения для выбора мертвого времени и
коэффициента селекции
классификация систем отбора, примеры
аппаратура потенциальных систем отбора
аппаратура импульсных систем отбора
спецпроцессоры
применение схем памяти в устройствах
отбора событий
ЛП на основе пороговых усилителей
токовые ЛП
ЛП ключевого типа
11. Временные измерения.
основные требования
привязка по переднему фронту
ОУ с положительной обратной связью, триггер
Шмитта
формирователь со следящим порогом
способ "пересечения нуля"
дискриминатор Д14
12. Метод совпадений и антисовпадений.
схемы совпадений Росси, Гарвина
СС на сложении токов
дифференциальная СС и схема компенсации
геометрии как элементы
системы измерения времени пролета
13. Кодирование интервалов времени.
многоканальная схема СС
метод прямого счета, информационные платы
Т2а, ТАМ
нониусный метод
время-амплитудный преобразователь
преобразование Т-А-Т
ВЦП комбинированного типа
комбинированный ВЦП с непрерывно
работающим генератором
преобразователь хронотронного типа
Литература
1.
АБРАМОВ, КАЗАНСКИЙ,
МАТУСЕВИЧ.Основы экспериментальных
методов ядерной физики.
2.
КАЛАШНИКОВ, КАЗАДАЕВ. Детекторы
элементарных частиц.
ЗАНЕВСКИЙ. Проволочные детекторы
элементарных частиц.
АКИМОВ, ИГНАТЬЕВ, КАЛИНИН, КУШНИРУК.
Полупроводниковые детекторы в
экспериментальной физике.
ДМИТРИЕВА, КОВТЮХ, КРИВИЦКИЙ.
Ядерная электроника.
БАСИЛАДЗЕ С.Г. Быстродействующая
ядерная электроника.
КЛАУС КРУППЕН. ДЕТЕКТОРЫ
элементарных частиц.
3.
4.
5.
6.
7.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
е+
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ЗАЛ
РАДИАЦИОННО-ОПАСНАЯ
ЗОНА
СИСТЕМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО
ОТБОРА СОБЫТИЙ
БЫСТРЫЙ ЦИФРОВОЙ ПРОЦЕССОР
ЗАПУСК
ЭЛЕКТРОНИКА СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
КООРДИНАТ
ЭЛЕКТРОНИКА СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭНЕРГИИ
ЭЛЕКТРОНИКА СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ВРЕМЕНИ
ЭЛЕКТРОНИКА СИСТЕМЫ
ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТИЦ
СИСТЕМА СЧИТЫВАНИЯ ДАННЫХ
е-
ЭЛЕКТРОНИКА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОКИ СИГНАЛОВ
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
По отношению к сигналу ЗАПУСКа (сигнал
Первичного Триггера) аппаратуру регистрации можно
разделить на работающую ОБЩИМ СТАРТОМ, с ОБЩИМ
СТОПОМ и комбинированную.
В первом случае сигнал ПТ является стартовым для
всех каналов измерений , по нему начинается процесс
преобразования входных аналоговых сигналов в цифровой
вид. Во втором варианте сигнал ПТ является стоповым – по
нему заканчивается процесс преобразования.
Существуют и комбинированные системы, в которых
одна часть каналов заканчивает измерения по сигналу ПТ,
а другая начинает измерения.
Работа с ОБЩИМ СТАРТОМ требует задержки сигналов со всех
датчиков на время выработки сигнала ПТ. В таких системах
измерительные каналы запускаются с низкой частотой, определяемой
уровнем фона и коэффициентом отбора системы запуска, но задержка
сигналов в системах со многими тысячами измерительных каналов
представляет собой значительную проблему, т.к. требуемые задержки
довольно велики (~1µs). При этом точность и стабильность задержки,
особенно в каналах координатных и временных измерений, должна
быть на уровне ~1 – 2ns.
Такую задержку, в принципе, можно осуществить либо на
коаксиальных кабелях, что, однако, практически неприемлемо из-за
громоздкости (~200 метров кабеля на один канал), либо на
специальных электронных схемах, в которых используются
управляемые генераторы стабильной тактовой частоты. В этом случае
элемент задержки будет иметь мертвое время , равное времени
задержки.
Сигналы каналов энергетических измерений могут
задерживаться только на аналоговых элементах - коаксиальных
кабелях или линиях задержки с сосредоточенными параметрами.
Работа ОБЩИМ СТОПОМ не требует задержки сигналов, но
каждый канал должен иметь элемент, срабатывание которого
инициирует измерение в данном канале, и схему самосброса, т.к.
срабатывание ПТ происходит гораздо реже срабатывания отдельных
каналов. Для временных каналов эти условия легко выполнить, и,
если мертвое время измерителей не намного превышает сам
измеряемый интервал, то режим с ОБЩИМ СТОПОМ для таких
каналов является более предпочтительным.
Но для амплитудных каналов режим с ОБЩИМ СТОПОМ
реализовать практически очень сложно, поскольку это требует
установки в каждом канале порогового элемента с очень низким,
порядка одного дискрета АЦП порогом, для запуска измерения.
Поэтому для систем регистрации с различными типами
измерителей оптимальным следует признать комбинированный
принцип их построения.
В современных детекторах для экспериментов по
физике высоких энергий количество регистрирующих
каналов и интенсивность потоков данных настолько
велики, что ни один из рассмотренных выше режимов
работы систем регистрации не является
удовлетворительным.
В настоящее время все большее
распространение получает так
называемый PIPE LINE принцип съема и
обработки данных с детекторов.
Около миллиона первичных
источников сигналов
Практически непрерывное
столкновение сгустков – рождение
событий
Первичный триггер (ПТ) на уровне
аналоговых сигналов
Аналоговые Pipeline на время
решения ПТ
Преобразование Аналог – Цифра
Вторичный триггер (ВТ) на уровне
цифры - спецпроцессоры
Цифровые Pipeline на время
решения ВТ
Частичная или полная
реконструкция событий
Третичный триггер (ТТ) –
программный
Запись событий на
долговременные носители
Приведенные здесь блок–
схемы каналов регистрации
различных параметров
физических событий весьма
условны и отражают скорее
основные операции,
выполняемые электроникой
детекторов, нежели конкретные
устройства.
В свою очередь, большинство из
этих операций, как правило,
состоит из нескольких более
простых действий, способы
выполнения которых определяют
в конечном счете параметры
устройства.
Как будет показано дальше, тот же
«формирователь» может быть
построен множеством различных
способов, в зависимости от
требуемых от него параметров.
ГАЗОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЙ
(Газовые счетчики).
классификация
режимы работы
плоская ионизационная камера
искровые камеры, способы съема информации.
пропорциональные камеры - конструкция, временное и
пространственное разрешение
Считывание информации с МПК.
- дискретное, аналоговое
- съем второй координаты
Дрейфовые камеры.
- требования к газовым смесям
- модификации ДК
- пространственное и временное разрешение ДК.
Электроника ДК.
- классификация, основные требования к электронике ДК.
- многоканальная схема кодировки времени дрейфа
- гибридная сборка "усилитель - формирователь" К243АГ1
- гибридная схема УФ с токовым входом
- линейный предусилитель для ДК
-
Рассмотрение конкретных
первичных детекторов мы начнем с
семейства так называемых газовых
ионизационных счетчиков.
Основные (далеко не все) члены
этого семейства указаны на этом
«дереве» .
Название отражает активное
вещество счетчиков (газ) и способ
регистрации – ионизация газа под
действием излучения.
Первоначально электрически
нейтральные атомы или
молекулы
газа детектора под действием
пролетающих через него
заряженных частиц ионизуются, т.е.
разделяется на положительные
ионы и электроны.
Это требует затрат некоторой
энергии, называемой энергией
ионизации.
Плоская ионизационная камера
представляет собой объем,
заполненный газом определенного
состава.
Внутри объема располагаются два
плоских электрода, между
которыми с помощью внешнего
источника создается разность
потенциалов.
Возникающее при этом между
электродами практически
однородное электрическое поле
вызывает движение электронов
и ионов, образующихся в
результате ионизации газа под
действием излучения, т.е.
электрический ток.
Имеются электронная и ионная
составляющие полного тока.
Поскольку электроны движутся
гораздо быстрее ионов, то величина
электронной составляющей тока
много больше ионной, но
длительность пропорционально
короче.
Плоские ионизационные камеры
работают в токовом режиме с
единичным газовым усилением и
используются главным образом для
оценки интегрального потока
энергии излучения.
Сигнал от одной частицы очень
мал.
Газовые счетчики с резко
неоднородным полем (счетчики
Гейгера), работающие в искровом
режиме, способны регистрировать
отдельные частицы, но не дают
информации об их энергии.
Различные модификации искровых
счетчиков, собранные в
многослойные конструкции
(искровые камеры), использовались
для регистрации координат треков
частиц.
Счетчики имели различную
конструкцию электродов, а также
различались способом съема
информации.
Характерные стримерные сигналы и,
для сравнения, пропорциональные
сигналы на нагрузке 50 ом.
Газовая смесь 45%Ar + 55%CO2
Газовая смесь Ar + CO2. Обычно коэффициент усиления
ПК составляет 104– 105, амплитуда на Rн =1ком, Сн=15пф
достигает нескольких милливольт.
Газ 75%Ar + 24,5% изобутана (C4H10) +0,5% фреона B1
(CF3Br) «магический», Кус до 108.
Искровые камеры не способны
обеспечить большую частоту
срабатывания, поскольку требуется
большое время для рассасывания
ионизации от предыдущей искры.
Подбором диаметра анодной
проволочки, напряженности поля
и состава газа, в счетчиках типа
гейгеровских реализован
пограничный (доискровой) режим
работы, названный стримерным. По
газовому усилению он может быть
отнесен к области ограниченной
пропорциональности.
С многопроволочными
электродами такой режим
реализовать не удалось, поэтому
следующее, более совершенное,
поколение газовых координатных
детекторов с многопроволочными
электродами работало в области
пропорционального газового
усиления.
ВРЕМЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ МПК
А – «быстрая» область
B – «медленная» область
Существенно неоднородная
структура поля обуславливает
довольно сложный вид сигнала
на анодной проволочке.
Для L=7mm время собирания всех первичных электронов
~100ns. Каждый электрон образует лавину. Выходной импульс
является суммой сигналов всех лавин.
Максимальный путь для частиц первичной ионизации S/2.
Это соответствует времени дрейфа 10—20ns. Ширина узкого
пика равна этому времени. Протяженность «хвоста»
определяется временем дрейфа из области B (40—50ns).
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
Для МПК со съемом сигналов с каждой проволочки
пространственное разрешение определяется шагом S.
БЫСТРОДЕЙСТВИЕ . «МЕРТВОЕ» ВРЕМЯ
Мертвое время определяется несколькими факторами:
1. Время сбора электронов первичной ионизации (~L).
2. Пространственный заряд (~K).
Повышение быстродействия, уменьшение «мертвого» времени
1. Уменьшение газового усиления.
2. Введение электроотрицательных добавок.
СЧИТЫВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
Факторы, влияющие на способ считывания:
1.Интенсивность регистрируемого излучения.
2.Требования к скорости вывода информации.
3. Необходимость отбора и предварительной
обработки.
4. Стоимость.
Системы считывания с МПК делятся на два
типа: дискретные и аналоговые.
Структура дискретного канала считывания
Функции:
1. Усиление сигналов до порогового уровня.
2. Задержка на время выработки сигнала «триггера».
3. Временная селекция.
4. Запоминание и последующее считывание.
5. Формирование сигнала «быстрое ИЛИ» для
использования в системе формирования сигнала
«триггера».
6.Формирование «ИЛИ» для ускоренного опроса
памяти.
Достоинства: Универсальность и быстродействие.
Недостатки: Высокая стоимость.
Ф
СИСТЕМЫ АНАЛОГОВОГО ТИПА
3-2
Достоинства: 1. Уменьшение объема регистрирующей
аппаратуры;
2. Как следствие - уменьшение стоимости.
Недостатки: 1. Снижение быстродействия;
2. Чувствительность к шумам (помехам).
Чаще всего используются для съема второй
координаты.
Использование открытой электромагнитной
линии задержки
t1=x0/v
t2=(l-x0)/v
t2 - t1 = l/v - 2x0/v
Координатное разрешение ~0,1мм