Способ спектрометрирования ядерных частиц по времени пролета и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01T1/36 

С/1

с

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для энергетического спектрометрирования и идентификации продуктов ядерных реакций. Цель изобретения - повысить точность и информативность измерений за счет расширения избирательности по типу спектро- метрируемых частиц. Эта цель достигается за счет того, что формируется шкала меток времени, привязанная к определенному положению относительно источника ядерных частиц, и измерение времени пролета проводится путем выделения в этой шкале опорной метки времени, не привязанной к фазе группирования частиц в сгустки. 2 с. и 3 з.п. ф-лы. 5 ил.

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для энергетического спектрометрирования и идентификации продуктов ядерных реакций.

Цель изобретения - повышение точности и информативности измерений за счет расширения избирательности потипуспек- трометрируемых частиц.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2-4 - функциональные схемы соответственно блока формирования импульсов, блока маркировки опорных меток и блока измерения временных интервалов; на фиг. 5 - временные диаграммы.

Способ включает в себя следующие операции.

Формирование шкалы эталонных меток времени синхронно с заранее выбранным

положением импульсной посылки ядерных частиц относительно их источника.

Выделение по сигналу вспомогательного детектора ядерных частиц из сформированной шкалы эталонных меток времени опорной для спектрометрируемой частицы метки времени, начало которой отстоит на известный интервал времени от момента прохождения спектрометрируемой частицей или другой импульсной посылкой ядерных частиц заранее выбранного положения относительно их источника.

Фиксация по выделенной опорной эталонной метке времени начала интервала времени пролета спектрометрируемой частицей заданной пролетной базы.

Измерение времени пролета спектрометрируемой частицей заданной пролетной базы от импульсного источника ядерных частиц путем селекции величины интервала

времени пролета по сигналу вспомогательного детектора ядерных частиц, расположенного на заданном расстоянии от импульсного источника ядерных частиц, м фиксации конца интервала времени проле- та по сигналу основного детектора ядерных частиц, расположенного в конце пролетной базы.

При этом расстояние вспомогательного детектора ядерных частиц от их источника выбрано так, чтобы максимальный разброс Тмакс спектрометрируемых частиц или сопутствующих им заряженных частиц или гамма-квантов по времени пролета от импульсного источника ядерных частиц до вспомогательного детектора был меньше минимального интервала Тмии времени между двумя смежными импульсными посылками ядерных частиц.

Устройство для осуществления способа содержит импульсный источник 1 ядерных частиц, основной 2 и вспомогательный 3 детекторы ядерных частиц, блок 4 синхронизации, блок 5 формирования шкалы, блок 6 формирования импульсов, блок 7 марки- ровки опорных меток, дискриминатор-фор- мирователь 8 и блок 9 измерения временных интервалов, На фмг. 1 обозначены первые 10 и вторые 11 выходы устройства, а также входной пучок 12 ядерных частиц и заранее определенное положение 13,пролет которого спектрометрирует частицей регистрируется вспомогательным детектором 3.

Блок 6 формирования импульсов содер- жит (фиг. 2) первый 14 и второй 15 дискриминаторы, элемент И 16, элемент НЕ 17 и элемент 18 задержки. На фиг. 2 обозначены информационный и управляющий входы 19 и 20, первый 21 и второй 22 выходы. Эле- мент И 16 может быть-заменен элементом ИЛИ, так как выполняет функцию задержки.

Блок 7 маркировки опорных меток содержит (фиг, 3) первый 23 и второй 24 сдвиговые регистры, элемент И 25, элемент ЗАПРЕТ 26, элемент 27 задержки и элемент ИЛИ 28, первый 29 и второй 30 информационные входы, первый 31 и второй 32 управляющие входы, первые 33 и второй 34 выходы. При этом выходы резисторов 23 и 24 объединены в выходы 33 поочередно: первый разряд первого регистра 23, первый разряд второго регистра 24, второй разряд первого регистра 23, второй разряд второго регистра 24, третий разряд первого регист- ра 23 и т.д.

Блок 9 измерения временных интервалов содержит (фиг, 4) первый 35 и второй 36 элементы И, преобразователь 37 временного интервала в ход, триггер 38 и первый-тре-

тий элементы 39-41 задержки, первый 42 и второй 43 информационные входы, управляющий вход 44, первые 45 и второй 46 выходы.

На фиг. 5 обозначены сигнал в петле связи блока 4 синхронизации (а), сигналы на первом и втором выходах блока 5 формирования шкалы (б и в), импульсы на выходе вспомогательного детектора 3 ядерных частиц (г), сигнал на выходе 21(22) блока 6 формирования импульсов (д).

Способ спектрометрирования ядерных частиц по времени пролета ими заданного отрезка пролетной базы от их импульсного источника осуществляют следующим образом.

Синхронно с одной и той же фазой (одним и тем же положением 13) импульсной посылки ядерных частиц от их источника формируют шкалу эталонных меток времени, частоту следования которых задают равной частоте импульсных посылок ядерных частиц от их источника, Применительно к времялролетному спектрометру по фиг. 1 в качестве импульсного источника 1 ядерных частиц рассматривают, например, внутреннюю мишень ускорителя, бомбардируемую пучком 12 ускоренных микросгустков первичных частиц при их периодическом обращении на орбите кольцевого ускорителя.

Другим, применительно к электронному синхротрону, эквивалентным по фиг. 1 импульсным источником 1 ядерных частиц может выступать также ядерная мишень, но уже при облучении ее выведенным гамма- пучком тормозного излучения ускоренных электронов, при периодической (за цикл ускорения) бомбардировке ими уже внутренней мишени (не показана), расположенной з кольцепроводе ускорителя. Указанная возможность определяется тем, что, как показали экспериментальные исследования на сильнофокусирующем электронном синхротроне с энергией 6 Гэв, транспортируемый на расстояние 20-30 м коллимированной гамма-пучок с высокой (лучше 50 пикосекунд) точностью воспроизводит высокочастотную структуру первич- ного пучка ускоренных электронов.

Во всех случаях в качестве синхронизатора импульсных посылок ядерных частиц, отображаемого на фиг, 1 в виде блока 4, в указанных условиях выступает автоподст- раиваемый по частоте (посредством соответствующей обратной связи по пучку, фиг. 1 HP показана) один из ускоряющих резонаторов синхротрона. С измерительной петли связи этого резонатора снимают высокочастотный (синусоидальный) сигнал (фиг. 5, диаграмма). Далее с помощью блока 5 осуществляют временную привязку-дискриминацию к одной и той же фазе этого синусо- идального сигнала. Следовательно, формируют дискретизированную последовательность - шкалу эталонных меток времени моментов каждого соударения центра тяжести излучения от каждого из ускоренных микросгустков частиц с мишенью (источником 1),

При этом предусматривают два обстоятельства. Полагают, что можно пренебречь (или соответствующим образом нивелировать) вариациями координаты центра тяжести каждого из микросгустков первичных частиц относительно наперед выбираемой (равновесной) фазы ускоряющего ВЧ-на- пряжения, синхронно с которой формируют шкалы эталонных меток времени. В случае реализации способа при одновременном использовании на данном ускорителе режима промигивз ния микросгустков, т.е. когда остающиеся в режиме ускорения микросгустки первичных частиц следуют с частотой вдвое меньшей, чем частота ускоряющего ВЧ-напряжения, частоту следования формируемых эталонных меток времени задают также вдвое меньше частоты высокочастот- ного(синусоидального) сигнала, снимаемого с измерительной петли связи ускоряющего резонатора.

В этих условиях, наряду с фиксацией (по сигналу основного детектора 2 ядерных частиц) конца интервала времени пролета спектрометрируемой частицей заданного отрезка пролетной базы, каждый раз посредством вспомогательного детектора 3 регистрируют момент пролета спектрометрируемой частицей положения 13,либо регистрируют момент пролета сопутствующей ей заряженной частицей или гамма-квантом вспомогательного детектора 3. Получаемые таким путем временные отметки-сигналы с вспомогательного детектора 3 каждый раз используют для маркирования (выделения) той импульсной посылки ядерных частиц от их источника 1, которой порождена спектро- метрируемая частица. Конкретно по сигналу вспомогательного детектора 3 ядерных частиц или сопутствующих им заряженных частиц или гамма-квантов каждый раз выделяют из формируемой шкалы эталонных меток времени ту опорную для спектрометрируемой частицы эталонную метку времени, начало которой совпадает с зара нее выбранной фазой (фиг. 5, диаграмма а) либо для последней на текущий момент времени, либо для отстоящей от последней на известный (например, прокалиброванный) интервал времени другой импульсной посылки ядерных частиц от их источника 1.

После этого по выделяемой гакнм путем опорной (для спектрометрируемсй чзстицы) эталонной метке времени фиксируют момент начала интервала времени пролета ча5 стицей заданного отрезка, момент конца интервала времени пролета которого этой частицей непосредственно фиксируют в блоке 9 по сигналу основного детектора 2 ядерных частиц, расположенного в конце

0 заданного отрезка пролетной базы. При этом однозначность такого выделения по сигналу вспомогательного детектора 3 опорной эталонной метки времени для каждой из спектрометрируемых частиц обеспе5 чивается тем, что при изначальной настройке и калибровке времяпролетного спектрометра расстояние вспомогательного детектора 3 от импульсного источника 1 ядерных частиц выбирают таким, чтобы вы0 полнялось следующее условие:

макс Тмин.

где гмакс - максимальная величина разброса по времени пролета спектрометрируемых ядерных частиц или сопутствующих им

5 заряженных частиц или гамма-квантов от импульсного источника 1 до вспомогательного детектора 3, расположенного соответственно в позиции 3 или 8 положении 13 (фиг. 1);

0 Тмин - минимальная величина интервала времени между двумя смежными импульсными посылками ядерных частиц от их источника 1, применительно к рассматриваемому примеру реализации способа на

5 электронном синхротроне равная периоду (ТМин Т0 const) ускоряющего ВЧ-напряжения (фиг. 5,диаграмма а), снимаемого с измерительной петли связи ускоряющего резонатора,

0

Практически особенности аппаратурной реализации способа в устройстве(фиг. 1) разрешаются прежде всего тем, что блоком 5 одновременно с формированием им

5 на своем втором выходе сигналов шкалы эталонных меток времени (фиг. 5, диаграмма в) вырабатывается синфазный с ними двухполярный (на первом выходе) хронирующий сигнал с длительностью,, равной

0 (фиг. 5, диаграмма б) длительности текущей посылки ядерных частиц от их источника 1. Необходимость в последнем, т.е. в выработке такого двуполярного меандра, обусловлена необходимостью однозначного

5 селектирования и фиксации (маркирования) принадлежности каждого из формируемых блоком 6 сигналов к породившей его импульсной посылке ядерных частиц от их источника 1.

За счет такого управления режимом функционирования блоков 6 и 7, когда после каждой импульсной посылки ядерных частиц от их источника 1 полярность управляющего ими сигнала - меандра меняется на противоположную, одновременно обеспечивают работу этих блоков 6 и 7 в режиме с нулевым мертвым временем. Обе указанные возможности реализуют путем выполнения каждого из блоков 6 и 7 в виде двух идентичных каналов регистрации, управляющие входы которых незначительно настраивают на противоположные полярности сигнала меандра с входов 20 и 31 соответственно,

При каждой регистрации вспомогательным детектором 3 ядерной частицы или сопутствующей ей заряженной частицы или гамма-кванта лишь тот из двух дискриминаторов-формирователей 14 и 15 в блоке б формирует сигнал на своем выходе, для которого полярность управляющего (строби- рующего) сигнала с входа 20 является в этот момент отпирающей. При этом длительность выходных сигналов блока 6, вырабатываемых дискриминаторами-формирователями 14 и 15 на выходах 21 и 22, задают равной длительности Т0 периода следования импульсных посылок ядерных частиц от их источника 1. Сигналы с выходов 21 и 22 блока 6 обрабатываются 8 блоке 7 также двумя независимыми каналами регистрации с входами 29 и 30. Причем за счет осуществления дополнительного инвертирования полярности стробирующего сигнала - меандра посредством элемента НЕ 17 и элемента ЗАПРЕТ 26 обеспечивают поочередную работу каждого из двух каналов регистрации, функциональное назначение каждого из которых - синхронная запись маркирующей информации в соответствующий К-разрядный(К 2:2} сдвиговый регистр 23 или 24 блока 7.

В момент регистрации вспомогательным детектором 3 спектрометрируемой ядерной частицы (или сопутствующей ей заряженной частицы либо гамма-кванта) блок 6 формирует на своем выходе 21 импульсный сигнал. Указанный сигнал в виде сигнала Лог. 1 поступает на последовательный V-вход первого 23 или второго 24 сдвиговых регистров блока 7. Запись этого, поступаю- щего.например, по входу 29, сигнала Лог. 1 в сдвиговый регистр 23 производится по срезу (заднему фронту) стробирующего сигнала - меандра с входа 31 в момент смены положительной полярности меандра на отрицательную полярность (фиг, 5, диаграмма б). Соответственно в случае, когда этот сигнал Лог, 1 формируется в блоке б вторым

(фиг. 2) дискриминатором-формирователем 15, например, при следующей импульсной посылке ядерных частиц от их источника 1, то запись этого сигнала Лог. 1 с входа 30

во второй сдвиговый регистр 24 также производится по заднему фронту (но уже при отрицательной полярности) стробирующего сигнала - меандра с входа 31.

Благодаря этому в указанных условиях

0 формирования дискриминаторами-форми- рователя 14 и 15 сигналов Лог. 1 с длительностью, равной периоду Т0 следования импульсных посылок ядерных частиц, блоком обеспечивается однозначное и надеж5 ное - без пропусков-маркирование опорных эталонных меток времени для каждой из спектрометрируемой ядерных частиц, независимо от момента пересечения спектрометрируемой ядерной частицей положения

0 13 или момента пересечения сопутствующей ей заряженной частицы либо гамма- кванта позиции вспомогательного детектора 3. Благодаря такому режиму записи маркерной информации в К-разрядные

5 сдвиговые регистры 23 и 24 обеспечивается формирование этой информации в виде скользящей выборки из последовательности 2К см счалов Лог, 0 (нет события) и Лог. 1 (есть событие), автоматически

0 сдвигаемой вправо нз один разряд при каждой новой импульной посылке ядерных частиц от их источника 1. Именно таким путем, т.е. за счет жесткой синхронизации момента появления сигнала Лог. 1 на (К-1)-ом по5 следовательном выходе сдвиговых регистров 23 и 24 с моментом появления очередной эталонной метки времени на входе 43 обеспечивается автоматическое выделение для каждой спектрометрируемой

0 частицы своей строго определенной опорной эталонной метки времени.

8 момент достижения лидирующим в этой скользящей выборке сигналом Лог. 1 последовательного (К-1)-го выхода сдвиго5 вого регистра 23 (24) на выходе элемента ИЛИ 28 блока 7 выставляется маркерный сигнал Лог. 1, Указанный сигнал с выхода 34 поступает в блок 9, отпирая в нем элемент И 35. Тем самым обеспечивается син0 хронная трансляция этим элементом И 35 на один из информационных входов преобразователя 37 интервала времени в цифровой код соответствующего сигнала с входа 43 в качестве соответствующей для спектромет5 рируемой частицы опорной эталонной метки аремени. При этом соответствующее разрешение преобразователя 37 на выполнение указанного преобразования выдает триггер 38, пример старт-стопного управле- няя которым в блоке 9 реализуется с помощью элемента И 36 и выхода окончания работы преобразователя 37.

Существенным при этом моментом для реализации способа является одновременное, с началом выполнения блоком 9 указан- ного временного преобразования, блокирование на этот период дальнейшей работы блока 7. Блокирование последнего осуществляется с помощью указанного сигнала триггера 38, который с выхода 46 блока 9 поступает на вход 32 блока 7, запирая в нем элементы 25 и 26. Причем для исключения возможности потери маркерной информации ввиду ложного сдвига в этой ситуации содержимого сдвиговых регистров 23 и 24 на один разряд вправо при последующей обработке этой информации с информационных выходов 33 предусматривают учет всего содержимого этих К-раз- рядных сдвиговых регистров 23 и 24.

Посредством такой блокировки на вторых информационных выходах 11 устройства фиксируется линейный позиционный код, характеризующий наличие (в виде сигнала Лог. 1) или отсутствия (в виде сигнала Лог. О) фактов регистрации вспомогательным детектором 3 каких-либо событий во время импульсных посылок, смежных (до и после) с той импульсной посылкой ядерных частиц от их источника 1, по отношению к начальной фазе которой блоком 9 было примерено время пролета спектрометрируемой частицы. Тем самым, в условиях большой загрузки вспомогательного детектора 3 фоновыми событиями, получают дополнительную возможность для . проверки правильности полученного результата измерения в характерных для экспериментальнойпрактикиусловияходновременного (с измерением времени пролета) проведения измерений энергии и/или ионизационных потерь спектрометрируемой частицы (соответствующая детектирующая система, фиг. 1, не показана). Например, при наличии существенного расхождения между результатами обоих этих измерений и одновременно с этим наличием соответствующего маркирующего признака на вторых информационных выходах 11 устройства вводят в полученный результат измерения времени пролета надлежащую корректирующую поправку на величину Т0.

Таким образом, предлагаемый способ, реализуемый устройством для его осуществления, разрешает принципиальное ограничение-недостаток известных спосо- бов-временной привязки к фазе группирования в сгустки первичных частиц, и, тем самым, обеспечивает качественно более результирующую возможность спектрометрирования по времени пропета как заряженных, так и нейтральных части ь наиболее актуальных для экспериментальной практики условиях, а именно, в условиях,

когда время пролета спектрометрируемых частиц от бомбордируемой мишени до стопового детектора может значительно превышатьпериод ускоряющего (прерывающего) ВЧ-напряжения первичных

частиц. При этом предлагаемый способ не предопределяет для своей реализации необходимости применения на импульсном источнике специального режима группирования в сгустки первичных частиц.

В то же время за счет введения в традиционную организацию измерения времени пролета по сигналам от стартового (промежуточного) и стопового детектора новой для нее операции выделения и маркирования

опорных эталонных меток времени предложенный способ обеспечивает возможность резкого снижения требований к временному разрешению стартового промежуточного детектора, выполняющего здесь функцию

вспомогательного детектора. Указанное принципиальное преимущество предлагаемого способа вытекает из реализуемой им центральной идеи формирования стартовой отметки времени путем преобразования

сигнала вспомогательного детектора с умеренным временным разрешением в прецизионную и не зависящую от интенсивности первичного пучка соответствующую эталонную отметку времена самого импульсного

источника ядерных частиц. При этом в усло- виях времяпролетного спектрометрирова- ния продуктов фрагментации ядер внутренней мишени электронного синхротрона указанное преимущество позволяет

без ущерба для точности спектрометриро- вания пойти на дополнительное четырехкратное ухудшение временного разрешения вспомогательного (промежуточного) детектора. Тем самым, за счет резкого снижения при этом чувствительности вспомогательного детектора к быстрым легким частицам, составляющим основную фо- новую загрузку вспомогательного (промежуточного) детектора, обеспечивается возможность спектрометрирования ядерных частиц в условиях прямого обзора вспомогательным детектором внутренней мишени быстроцикличного синхротрона.

Повышение точности спектрометрирования ядерных частиц по времени пролета предлагаемый способ априори обеспечивает за счет существенного увеличения контролируемой части пролетной базы I, которая здесь отсчитывается уже не от промежуточного детектора, а непосредственно от самой мишени. Такое качественное преимущество предлагаемого способа позволяет, например, при неизменной геометрии времяпролетного спектрометра одновременно снизить и требования к прецезионно- сти стопового детектора. Причем указанные качественные преимущества реализуются как на внутренних, так и на выведенных вторичных пучках импульсных источников ядерных частиц.

Формула изобретения

0 счет расширения избирательности по типу спектрометрируемых частиц, в устройство введены блок формирования шкалы и блок маркировки опорных меток, выход блока синхронизации подключен к эходу блока

5 формирования шкалы, первый выход которого соединен с первым управляющим входом блока маркировки опорных меток и управляющим входом блока формирования импульсов, первый и второй выходы которо0 го подключены соответственно к первому и второму информационным входам блока маркировки опорных меток, первые выходы которого являются вторыми выходами устройства, аторые выходы блока формирова5 ния шкалы и блока маркировки опорных меток соединены соответственно с вторым информационным и управляющим входами блока измерения временных интервалов, второй выход которого подключен к второму

0 управляющему входу блока маркировки опорных меток.

5 задержки, первый и второй дискриминаторы-формирователи, первые входы которых объединены и являются информационным входом блока, вход элемента задержки является управляющим входом блока, выход

0 элемента задержки через элемент И и элемент НЕ подключен к вторым входам соответственно первого и второго дискриминаторов-формирователей, выходы которых являются соответственно первым и

5 вторым выходами блока,

входы которых являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, запрещающий вход элемента ЗАПРЕТ объединен с первым входом элемента И и является первым управляющим входом блока, вход элемента задержки является вторым управляющим входом блока, выход элемента задержки подключен к второму входу элемента И и разрешающему входу элемента ЗАПРЕТ, выходы которых соединены с входами синхронизации соответственно первого и второго сдвиговых регистров, первый - К-й выходы (К 2) которых являются соответственно нечетными и четными разрядами первых выходов блока, первый и второй входы элемента ИЛИ подключены к i-м выходам (1 К К) сдвиговых регистров, выход элемента ИЛИ является вторым выходом блока,

12

JJS.

интервала в код, входы первого и второго элементов задержки объединены и являются первым информационным входом блока, первый вход первого элемента И является

вторым информационным входом блока, вход третьего элемента задержки и первый вход второго элемента И объединены и являются управляющим входом блока, выходы третьего и второго элементов задержки подключены к вторым входам соответственно первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с входом запуска преобразователя временного интервала в код и установочным входом триггера; выход первого элемента задержки подключен к входу останова преобразователя временного интервала в код, информационные выходы которого являются первыми выходами блока, выход окончания преобразования преобразователя временного интервала в код соединен с входом обнуления триггера, выход которого подключен к входу разрешения работы преобразователя временного интервала в код и является вторым

выходом блока.

фиёЛ

ю

16

X

17

7 7V

27

Фиг 2

ft/г.З

ФигЛ