Пересчетные устройства и устройства измерения временных промежутков

На вход этих устройств обычно подаются стандартные логические сигналы от быстрых дискриминаторов или одноканальных анализаторов. Если длительность сигналов детектора не является лимитирующим фактором, быстрые дискриминаторы позволяют обеспечить разрешающее время от 5 до 65 нс. Разрешающее время в данном случае нужно понимать, как способность различать два следующих один за другим сигнала. Для статистически распределенных по времени сигналов максимальная скорость счета, которая ограничивается разрешающим временем при этом может достигать ~20^.10⁶ c^-1 при ~10% потерях за счет мертвого времени.
Такие детекторы как ФЭУ и микроканальные пластины вместе с быстрыми дискриминаторами позволяют получить временное разрешение ~5 нс. С другими детекторами, такими как сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы, разрешающее время будет заметно больше.

Одноканальные пересчетные устройства
Counter/Timer

Одноканальное пересчетное устройство считает количество поступивших на его вход импульсов. Оно может запускаться и останавливаться вручную. Можно также использовать автоматическую остановку. В этом случае могут быть два режима. В одном из них предварительно устанавливается время измерения и результатом, который может отражаться на дисплее устройства, является количество импульсов сосчитанных за это время, в другом - устанавливается количество импульсов и результатом является время, за которое предустановленное количество импульсов сосчитано. Одноканальное пересчетное устройство с внешним автоматическим управлением (например, от компьютера) позволяет также получать зависимости скорости счета от времени. Мертвое время, в данном случае это время между измерениями, необходимое для считывания, сброса информации и повторного запуска счета, у обычных пересчетных устройств довольно большое (от микросекунд до миллисекунд). Кроме того, временные интервалы t, которые могут устанавливаться у одноканальных пересчетных устройств, редко бывают меньше 10 мс.

Схемы совпадений

Функция схемы совпадений состоит в генерации на ее выходе сигнала, если время появления сигналов на ее входах меньше некоторого предварительно установленного времени , которое называется разрешающим временем схемы совпадения. Входов в схеме совпадений может быть 2 (двойная схема совпадений) и больше.

Рис. 1. Входные и выходные импульсы схемы "и".

Рассмотрим двойную схему совпадений так называемого перекрывающего типа. Такая схема совпадений практически то же самое, что схема "и" цифровой электроники. Схемы совпадения такого типа обычно используются в микросекундной области. Это так называемые медленные схемы совпадений (slow coincidence). На вход такой схемы поступают сформированные прямоугольные (медленные логические) импульсы. Иногда импульсы, поступающие на вход дополнительно регулируются (меняется их длительность). Эти импульсы поступают на схему "и". Выходной импульс со схемы "и" формируется и поступает на выход. Импульсы на выходе возникают, если временное рассогласование между двумя импульсами меньше, чем t₁ + t₂, где t₁ и t₂ - длительности импульсов на входе "и".

Рис. 2. Кривая самосовпадений - сплошная линия и кривая совпадений - штриховая линия.

Если на оба входа схемы совпадений подать сигналы от одного источника и в один из каналов ввести задержку t_d, то интенсивность на выходе N в зависимости от задержки будет иметь П-образную форму (сплошная кривая на рис. 2). Это так называемая кривая самосовпадений (_e = t₁ + t₂ - электрическое разрешающее время). Однако если подать на входы схемы совпадений сигналы от двух источников и проделать ту же операцию (снять кривую совпадений), картина может заметно измениться (штриховая кривая на рис. 2). Она может быть заметно асимметричной. Это связано с временными неопределенностями временных привязок в каналах. Чем они больше, тем кривая совпадений сильнее размывается. Часть событий (серые области на рис. 2) при измерениях с, так выбранным, разрешающим временем будут утеряны (эффективность системы регистрации <100%). Можно ввести понятие физического разрешающего времени

_p >

_e.

(1)

Различие между этими величинами характеризует временное "размытие" в каналах. Для характеристики временных свойств систем часто используют другую характеристику - полная ширина на половине высоты (FWHM) временного распределения.
Для того чтобы эффективность схемы совпадения была 100%, задержки в каналах должны быть одинаковыми. Кроме того, длительности входных импульсов в каждом из каналов должны быть не меньше максимальной временной неопределенности в данном канале. Если длительности входных импульсов слишком велики, неоправданно увеличивается вклад случайных совпадений, частота которых для двойной схемы совпадений определяется соотношением

N_сл = 2N₁N₂

_e,

(2)

где N₁ и N₂ - загрузки в каналах. Подбор оптимальных задержек и длительностей импульсов методом проб и ошибок утомительно, и экспериментаторы нередко избегают этого, устанавливая длительность входных импульсов на основании своих оценок временных неопределенностей в каналах. Между тем, задачу оптимизации разрешающего времени для двойной схемы совпадений можно существенно упростить, используя вместо схемы совпадений время-амплитудный конвертор с одноканальным анализатором.

Входов у схемы совпадений может быть больше двух. Часть из входов может быть задействовано на антисовпадения. Кроме рассмотренной выше схемы совпадений перекрывающего типа, в быстрых схемах совпадений используют более сложные схемы формирования сигналов.

Время-амплитудный конвертор

Время амплитудный конвертор (ВАК) служит для прецизионного измерения времени между двумя сигналами. В нем время между сигналами преобразуется в амплитуду. Также как в вилкинсоновском АЦП (там происходит обратное преобразование амплитуда - время) для этого используется емкость, только она теперь не разряжается, а заряжается постоянным током. На рис. 3. показана упрощенная схема ВАК, где для простоты достаточно сложные логические схемы заменены ключами.

Рис. 3. Упрощенная схема время-амплитудного конвертора.

ВАК имеет два входа, на которые подаются быстрые логические сигналы обычно от быстрых дискриминаторов. Перед началом преобразования ключи s1 и s2 разомкнуты, а ключ s3 замкнут. При появлении сигнала на входе "старт" ключ s1 замыкается, и конвертирующая емкость начинает заряжаться постоянным током. При появлении сигнала на входе "стоп" ключ s1 размыкается, предотвращая дальнейший заряд конвертирующей емкости, ключ s3 при этом размыкается, пропуская сигнал на выход ВАК. Так как емкость заряжается постоянным током I, напряжение на конвертирующей емкости V пропорционально времени t между сигналами "старт" и "стоп"

V = I

t/C,

(1)

где C - емкость конденсатора. Через несколько микросекунд замыкаются ключи s2 и s3. При этом конвертирующая емкость разряжается, а выходной сигнал заканчивается. На выходе ВАК формируется прямоугольный импульс длительностью в несколько мкс. Далее они обычно поступают в АЦП или одноканальный анализатор.
Время-амплитудные конверторы могут работать в различных диапазонах конверсии T_range(обычно от ~50 нс до ~50 мкс). Временное разрешение у качественных ВАК 10 пс для диапазона конверсии 50 нс.
Преобразование в области t < 10 нс обычно нелинейно, и для сдвига преобразования в линейную область нужно ввести в канал "стоп" задержку в несколько десятков наносекунд.

Нередко можно столкнуться с ситуацией, когда стартовые импульсы поступают с высокой частотой, в то время как стоповые импульсы далеко не всегда появляются в пределах выбранного диапазона конверсии. Типичный случай - измерения энергии методом времени пролета, если для получения стартового импульса использовать ВЧ циклического ускорителя или специального устройства "проблескивания" пучка, а для стопового импульса - сигнал от детектора. Далеко не всегда частицы из сгустка импульсного пучка, попавшие на мишень, будут вызывать реакции с вылетом частиц попадающих в детектор и регистрируемых им. В этом случае ВАК будет запускаться стартовыми сигналами и бесполезно ждать стопового сигнала, который так и не придет. Мертвое время при этом будет большим. Выход заключается в применении обратной временной шкалы, т.е. использовании сигналов от детектора в качестве стартовых, а периодических сигналов в качестве стоповых.
ВАК измеряет время между первыми появившимися стартовым и стоповым импульсами. Он игнорирует другие, позже появившиеся сигналы в стартовом и стоповом каналах пока не завершится конверсия первой пары. Если по каждому каналу с высокой средней частотой поступают случайно распределенные по времени события, ВАК будет отрабатывать события, которые поступают раньше и "не замечать" события, поступающие позже. Это может привести к искажению измеряемого временного распределения (спектра) коррелированных старт-стоп событий. Исходя из пуассоновского характера временного распределения событий, можно показать, что, ограничив среднюю частоту r в каналах

r < 0.01 / T_range,

(2)

где T_range - диапазон конверсии, потерянных событий будет меньше 0.5% от всех зарегистрированных. Для T_range = 50 нс условие (2) ограничивает частоту в каналах на уровне 200000 с^-1, для T_range = 10 мкс соответственно до 1000 с^-1.
ВАК является лучшим решением, когда нужно измерять времена меньшие, чем 10 мкс с временным разрешением в диапазоне от 10 пс до 50 нс. Для измерения бОльших времен лучше использовать устройства многоканального пересчета. Другой альтернативой при измерениях времени могут служить анализаторы времени (временные цифраторы), в которых одному стартовому сигналу может соответствовать большое количество сигналов стоп.

ВАК вместе с одноканальным анализатором можно использовать вместо двойной схемы совпадений и упростить подбор оптимального разрешающего времени.

Рис. 4. Блок-схема, используемая для настройки двойных совпадений при использовании сочетания ВАК + одноканальный анализатор.

Рис. 5. Временной спектр

Когда аналоговый сигнал ВАК через АЦП поступает в ЭВМ, в котором реализуется режим многоканального анализа (см. рис. 4), скоррелированные по времени сигналы формируют пик во временном спектре, который находится на подложке фона, образованного обработкой ВАК некоррелированных старт-стоп событий (рис. 5). С помощью одноканального анализатора устанавливается оптимальный амплитудный (временной) диапазон t, когда вклад случайных событий минимален, а эффективность регистрации совпадений близка к 100%. Нормально закрытые линейные ворота теперь пропускают только те сигналы, амплитуда которых находится в области пика.
При очень больших скоростях счета из-за возникающей проблемы мертвого времени все же лучше использовать схемы совпадения.
Время-амплитудные конверторы могут содержать специальные цепи и режимы, позволяющие выделять события в предварительно установленных временных и амплитудных (энергетических) диапазонах. Эти диапазоны могут устанавливаться в интегральных и дифференциальных дискриминаторах, временных одноканальных анализаторах и схемах совпадений. Так в режиме внешнего стробирования ВАК генерирует выходные импульсы только при поступлении внешнего сигнала стробирования на его специальный вход. Может быть также предусмотрен режим, когда конверсия начинается (не начинается) в том случае, если на специальный вход ВАКа до стартового сигнала поступают разрешающие (запрещающие) сигналы.

Временные цифраторы (анализаторы времени)
Time Digitizer, Time Analyzer

Временной цифратор измеряет (оцифровывает) время появления отдельных сигналов. Минимальное квантование t у временных цифраторов обычно может устанавливаться в пределах от пикосекунд до наносекунд, т.е. может быть сделано значительно меньшим, чем у устройств многоканального пересчета, правда за счет одновременного ухудшения разрешающего времени.

Как устройства многоканального пересчета, так и временной цифратор запускаются стартовым импульсом, который определяет начало отсчета времени. В одном проходе, длительность которого предварительно устанавливается, оба устройства способны фиксировать большое количество событий. Если процесс циклический, данные нескольких проходов могут суммироваться. В результате можно извлечь информацию о вероятности событий как функцию времени. По сравнению с время-амплитудными конверторами у этих устройств одному сигналу старт может соответствовать большое количество сигналов стоп.

[ОГЛАВЛЕНИЕ]