Схема регистрации амплитудного распределения импульсов

УДК 539.1.074
СХЕМА РЕГИСТРАЦИИ АМПЛИТУДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА
КОМПЬЮТЕРЕ IBM-ТИПА
И.А. Васильев, В.М. Алехина, С. Маматибраимов – Институт физики Национальной
академии наук (НАН) Кыргызской Республики
Е.А. Корнев, М.Г. Петрушанский, А.С. Лелюхин, П.Л. Каганский – КыргызскоРоссийский Славянский университет
Анализ амплитуд импульсов случайно распределенных во времени широко
используется при решении самых различных технических задач. В частности, такой
анализ необходим для получения энергетического распределения ядерных частиц и
излучений, регистрируемых специальными детекторами.
Например, для получения спектров -частиц в качестве детекторов
используются импульсные ионизационные камеры [1] или кристаллические
детекторы [2]. Для амплитудного анализа получаемых при этом импульсов широко
используются выпускаемые многими предприятиями и фирмами анализаторы
амплитуд импульсов (АИ) с различным числом каналов. В работах [3, 4] описаны
ионизационные -спектрометры, предназначенные для одновременного анализа
двух [3] и трех [4] образцов. В первом случае для анализа необходимо два
анализатора импульсов с соответствующей периферией, во втором – использование
так называемого «устройства выбора групп», позволяющего расширить возможности
анализатора импульсов и использовать его для одновременного анализа трех
образцов. Недостатки этой схемы проявляются в ухудшении разрешающей
способности -спектрометра и регистраций ложных импульсов в области
длиннопробежных -частиц [5].
В настоящем сообщении описан реализованный и испытанный в работе спектрометр с импульсной ионизационной камерой (ИК) в качестве детектора частиц и измерительным комплексом, позволяющим устранить указанные выше
недостатки спектрометра [4].
Особенность импульсной ионизационной камеры названного спектрометра
состоит в том, что в ней предусмотрен одновременный анализ -спектров трех
различных -активных препаратов. Камера имеет общий анод, сигнал с которого
усиливается трактом электронной составляющей (ТЭС). Катод камеры разделен на
три секции, имеющие отдельные выводы. Импульсы с каждой из катодных секций
усиливаются независимо трактом ионной составляющей.
Для регистрации и амплитудного анализа импульсов, поступающих с
импульсной ионизационной камеры, используется компьютерная система. Она
представляет собой средство измерения, конструктивно реализованное в виде
многоканальной платы сопряжения, встроенной в персональный компьютер IBMтипа (например «Pentium») и обслуживаемой специализированной программой.
Предлагаемый амплитудный анализатор импульсов позволяет в режиме
реального времени получать -спектры любого -излучателя с бесконечно тонким
слоем с последующей их программной обработкой и анализом.
2
Спектрометр
совпадений
Устройство сопряжения
ТЭС
ИК
Схема
дешифраци
и
адреса
Анод
Сетка
Катоды
АЦП
ТИ
С
ТИ
С
Схема
выборкихранения
ТИ
С
Схема
кодировк
и
IBM PC
Рис. 1 Структурная схема аппаратных средств
системы.
Интерфейсная плата определяет пиковое значение случайной амплитуды
сигнала, хранит полученную величину, преобразует ее в цифровой код и передает
этот код в компьютер. Устройство (рис.1) работает следующим образом: импульсная
последовательность аналоговых сигналов трех каналов детектора снимается с анода
и через предварительные усилители поступает на вход устройства выборкихранения, в состав которого входит пиковый детектор, фиксирующий момент
изменения знака производной от входного сигнала. После достижения сигналом
максимальной величины схема переходит в режим хранения и выдает на шину
управления персонального компьютера (ПК) запрос на преобразование и
считывание. Далее, процессор генерирует ответный сигнал разрешения
преобразования для аналого-цифрового преобразователя (АЦП). После
преобразования код с АЦП, пропорциональный амплитуде входного импульса,
подается на шину данных компьютера, считывается и запоминается в оперативном
запоминающем устройстве (ОЗУ). Одновременно в компьютер вводится
информация о номере катода детектора в виде цифрового сигнала, позволяющего
идентифицировать принадлежность аналогового сигнала одной из трех исследуемых
3
препаратов. Затем программа переводит компьютер в режим ожидания следующего
сигнала запроса на преобразование и считывание.
Рис.2 Программный интерфейс. Экспериментальные
спектры.
Перед началом эксперимента в соответствующих программных окнах
выбирается режим работы, вводятся условия опыта и необходимые данные.
Графическая оболочка содержит четыре кнопки основного меню: "Файл", "Установка",
"Помощь" и "Расчет" (Рис.2.). Кнопки выбираются указателем манипулятора "Мышь".
При нажатии активной кнопки появляется ее окно. К примеру в окне кнопки
"Установка" можно активизировать строку "Параметры ...". При этом откроется окно
"Параметры пробы 1". Устанавливая курсор в нужных строках окна, с помощью
клавиатуры компьютера можно задать необходимые параметры: дату, шифр, объем
пробы V, активность трассера А232 (232U) и местоположение пункта отбора пробы.
Устройство может быть использовано в качестве одновходового анализатора
импульсов. Это осуществляется нажатием кнопки "СС" - "БМ" (СС - спектрометр
совпадений, БМ - базовая модель – одновходовый анализатор импульсов). В пункте
"Завершение набора" имеется возможность выбрать одно из условий завершения
набора спектра: "По нажатию клавиши", "По числу событий", "По времени". Для этого
в окна "Число событий" и "Время работы" вводятся соответствующие величины. После
нажатия кнопки "Следующая" открывается окно "Параметры пробы 2", а затем "Параметры пробы 3". Параметры в этих окнах задаются аналогично первому. При
работе в режиме "БМ" – одновхового анализатора импульсов, задаются параметры
4
только для одной пробы. Для закрытия окна после задания всех параметров нажимается
кнопка "Ок".
Рис.3 Результаты обработки
спектров.
Если в окне "Установка" выбрать строку "Начать измерение", на экране
монитора появится окно измерения с сообщением "Идет набор!". После нажатия на
клавишу "Пробел" на экране появятся три графика (режим СС) (рис. 2) или один
график (режим БМ). По оси ординат каждого графика отложено число событий, а по
оси абсцисс - номер канала. После окончания набора данных нажимается клавиша
"Esc". В нижней части окна измерения появится запрос "Продолжить? (" Y/N ")". Для
определения числа событий в интересующем канале используются два курсора - левый
и правый, перемещаемые с помощью клавиш " - > " и " < - " (быстрое перемещение "Ctrl" + " - > " и "Ctrl" + " < - ") или с помощью указателя "Мыши". Смена курсора
(правый или левый) осуществляется нажатием клавиши "Вкладка" ("позиция
табуляции"). Числовые значения величин для точки, в которой находится левый
курсор, высвечиваются в окошке "Левая", а для точки, в которой находится правый
курсор, - в окошке "Правая". Ограничив левым и правым курсорами интересующую
область графика, можно увеличить масштаб этой области по оси абсцисс нажатием на
клавишу "_" или уменьшить масштаб - нажатием на клавишу "_". Для возвращения к
исходному масштабу нажимается клавиша "Del". Выбор одного из трех графиков (в
режиме СС) производится нажатием клавиши "Пробел". Активный график на экране
выделяется рамкой. Для проведения расчета по активному графику на нем четырьмя
5
или шестью реперами выделяются соответственно два или три пика. Для этого нужно
активный курсор установить в область начала первого пика и нажать клавишу "1",
затем установить курсор в область конца первого пика и нажать клавишу "2" и т.д. до
"4" или "6". После этого становится активной кнопка "Расчет" основного меню, при
нажатии на которую появляется окно "Результаты для пробы N" (рис.3). После нажатия
на кнопку "Сохранить" на экране появляется окно "Сохранить результаты". С помощью
указателя и левой клавиши "мыши" выбирается место на жестком диске компьютера
для сохранения данных. В строке в нижней части окна вводится имя файла. Для
сохранения всех набранных данных в окне кнопки "Файл" выбирается строка
"Сохранить данные".
Для обработки ранее набранных данных в окне кнопки "Файл" активизируется
строка "Загрузить файл", а затем в появившемся окне "Загрузить файл" выбирается
нужный файл. После этого введенные данные можно обрабатывать. Для выхода из
программы в окне "Файл" выбирается строка "Выход".
Таким образом, в ходе измерений на экран монитора выводятся спектры (рис.2),
каждые 10 минут набранная информация автоматически сохраняется. После окончания
очередного эксперимента по полученным данным программой вычисляются
необходимые для анализа величины и результат выдается в виде таблиц и протокола
(рис.3).
Основные характеристики платы амплитудного анализатора импульсов:
диапазон амплитуд трех входных аналоговых сигналов – (0…10) В (положительная
полярность); диапазон длительностей переднего фронта сигнала – (1…3) мкс;
длительность спада – (15…20) мкс; среднестатистическая частота обрабатываемых
импульсов – от 0 до 103 имп./с. В системе использована большая интегральная схема
(БИС) 10-разрядного АЦП последовательного приближения с временем
преобразования 30 мкс. Программа обрабатывает 8 старших бит цифрового кода, цена
младшего разряда которого составляет 40 мВ. При проведении аппаратно-программной
отладки системы от тестовых воздействий было установлено, что интегральная
нелинейность преобразования входного аналогового сигнала в код лежит в пределах
величины одного младшего значащего разряда во всем диапазоне амплитуд, а
дифференциальная нелинейность – ¼ от величины младшего значащего разряда.
Разработанный аппаратно-программный комплекс рассчитан на проведение
массовых измерений в лабораторных и заводских условиях. В настоящее время система
эксплуатируется в радиометрической лаборатории Института физики Национальной
академии наук Кыргызской Республики. Полученные результаты испытаний
подтвердили технические характеристики устройства.
1.
2.
3.
4.
Литература:
Чалов П.И. Изотопное фракционирование природного урана. - Фрунзе: Илим, 1975,
238 с..
Балдин С.А., Вартанов Н.А., Ерыхайлов Ю.В. и др. - Прикладная спектрометрия с
полупроводниковыми детекторами. М.: Атомиздат, 1974, 320 с
Якунин М.И. Спектрометрическая ионизационная камера //АС СССР, № 803738.
Заявл. 16.11.79, № 2829973/18-25. БИ № 43, МКИ H 01 G 47/02.
Чалов П.И., Васильев И.А. Ионизационный альфа-спектрометр //АС СССР, №
1551160. Заявка № 4456972, приоритет изобретения 25 апреля 1988 г.
5. Васильев И.А. Модификации ионизационных -спектрометров для массовых
измерений -спектров долгоживущих радионуклидов// Настоящий сборник, с.