Ядерная электроника. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ядерная электроника - совокупность эксперим. методов ядерной физики, в к-рых используются электронные приборы для получения, преобразования и обработки информации, поступающей от детекторов частиц. Эти методы применяются, помимо ядерной физики и физики элементарных частиц, всюду, где приходится иметь дело с ионизирующими излучениями (химия, биология, медицина, космич. исследования и т. д.). Малая длительность процессов и, как правило, высокая частота их повторения, а также наличие радиационного фона требуют от приборов

Я. э. высокого временного разрешения (10^-9 с) и отбора регистрируемых событий с учётом их геометрии (пространств. распределения) и кинематики. Необходимость одноврем. измерения большого числа параметров (амплитуды сигнала, времени его прихода, координаты точки детектирования частицы, суммарного энерговыделения и др.) привела к тому, что именно в Я. э. впервые были разработаны схемы аналого-цифрового преобразования, применены цифровые методы накопления информации, многоканальный и многомерный анализ, использованы магистрально-модульные системы, ЭВМ в реальном масштабе времени (см. Информатика, ЭВМ)и, локальные вычислит. сети.

При регистрации частиц (или квантов) задача Я. э. сводится к счёту импульсов от детектора; при идентификации типа излучения и исследовании его спектра анализируется форма импульса, амплитуда или относительная задержка между импульсами. В случае исследования пространств. распределения излучения регистрируются номера "сработавших" детекторов или непосредственно определяется координата точки детектирования (см. Координатные детекторы).

В число устройств ядерной электроники входят: схемы совпадений и антисовпадений (см. Совпадений метод), амплитудные дискриминаторы, линейные схемы пропускания сигнала, сумматоры сигналов, многоканальные временные и амплитудные анализаторы, процессоры отбора событий, разл. устройства для съёма информации с координатных детекторов (дрейфовых камер, пропорциональных камер, полупроводниковых детекторов), ионизационных калориметров и т. д. (сотни наименований). Системы отбора событий часто содержат десятки ЭВМ, тысячи процессоров и ~10⁶-2•10⁷ каналов измерения.

Устройство для регистрации частиц включает детектор, усилитель, преобразователь сигнала и регистрирующее устройство. функция усиления реализуется электронной схемой, фотоэлектронным умножителем или к--л. др. прибором. Преобразователь переводит сигнал детектора в стандартный импульс или преобразует амплитуду или время прихода сигнала в цифровой код. Для записи результатов измерения применяются счётчики импульсов, запоминающие устройства или ЭВМ.

На рис. 1 изображена упрощённая система для исследования спектров излучения. Заряж. частица пересекает детекторы Д₁ Д₂, Д₃ и останавливается в детекторе Д₄. Сигналы с Д₁, Д₂, Д₃ через формирователи Ф₁ Ф₂, Ф₃ поступают на схему совпадений СС, отбирающую события, при к-рых сигналы на её входы приходят одновременно. Одновременность прихода импульсов обеспечивается согласующими линиями задержки ЛЗ. Схема совпадений вырабатывает сигнал, к-рый "разрешает" преобразование исследуемого импульса от детектора Д₄. Результат преобразования из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в виде цифрового кода заносится в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или ЭВМ. Измеренный амплитудный спектр выводится на экран дисплея. Часть системы, ограниченная пунктиром, представляет собой многоканальный амплитудный анализатор. Скорость счёта на выходе схемы совпадений, фиксируемая счётчиком СЧ, показывает число зарегистрир. событий.

Рис. 1. Схема спектрометра заряженных частиц.

Временной отбор сигналов осуществляется схемами совпадений, к-рые срабатывают от импульсов с определ. длительностью и амплитудой и реализуют логич. функцию "И" (логич. умножение, см. Логические схемы ),т. е. на их выходе сигнал появляется лишь тогда, когда импульсы на всех входах имеют определ. уровень, называемый единичным. Если на один из входов схемы совпадения подать сигнал с инвертир. полярностью, она превращается в схему антисовпадений. В системах совпадений и антисовпадений используются интегральные схемы.

Амплитудный отбор осуществляется дискриминаторами, к-рые выполняются с использованием схем сравнения (компараторов) и формируют стандартный выходной импульс лишь в случае, если напряжение (или ток) на входе превысит заданный порог. Эволюция схем совпадений и амплитудных дискриминаторов типична для др. приборов Я. э. Вместо блоков, реализующих одну логич. функцию ("И", "ИЛИ" и т. д.), разрабатываются универсальные многофункциональные устройства, логич. функцию к-рых можно задавать извне. Такие устройства строятся на базе больших интегральных схем общего назначения или специально разработанных для решения данной задачи. Вычислит. техника позволила создать автоматизир. аппаратуру с программно-регулируемыми параметрами: ЭВМ управляет порогами срабатывания схем, временным разрешением, задержкой сигналов, логикой отбора событий, режимом работы измерит. системы и т. д.

В ядерной электронике используются приборы с зарядовой связью (см. ПЗС-детектор ),схемы на переключающихся конденсаторах, транспьютеры, специализированные и оптоэлектрон-ные процессоры, нейронные сети и т. д. Накопление экспе-рим. данных происходит в ЭВМ (рис. 2) с последующей переписью на магн. ленту. Результаты предварит. обработки выводятся на экран дисплея, что позволяет оператору вмешиваться в ход измерений. ЭВМ управляет разл. устройствами: моторами, перемещающими детекторы или мишени, реле, коммутаторами сигналов, процессорами отбора событий и т. д.; выполняет калибровку измерит. аппаратуры, предварительную и окончательную обработку эксперим. данных.

Рис. 2. Система накопления и обработки информации на детекторах ПЗС.

Литература по ядерной электронике

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.