Устройство для поиска следов частиц Советский патент 1992 года по МПК G01T5/10 

Изобретение относится к ядерной физике, а именно к экспериментальной физике элементарных частиц, и может быть использовано при исследовании короткоживущих частиц на пучках нейтрино от ускорителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для просмотра ядерной фотоэмульсии, которое содержит источник коллимированного пучка света, линзу преобразования Фурье, мезооптический элемент с кольцевым откликом, снабженный первым и вторым световодами, на выходах которых установлены одноименные фотоприемники, выходы которых соединены с входами одноименных дифференцирующих блоков, а также систему перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии и блок записи данных, при этом выходы дифференцирующих блоков и выход системы перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии подключены к входам блока записи данных.

Свет из источника коллимированного пучка света проходит через линзу преобразования Фурье и прекращается в сходящийся пучок света с кроссовером в месте

расположения мезооптического элемент с кольцевым откликом и просвечивает слой ядерной фотоэмульсии. Дифрагирэванмый на прямом следе частицы свет попадает на мезооптический элемент с кольцевым откликом, который формирует левое и правое мезооптическое изображение на входах первого (левого) и второго (правого) световодов. С выходов одноименных световодов свет падает на входы одноименных фотоприемников. Далее одноименные сигналы фототока с выходов одноименных фотоприемников попадают на входы одноименных дифференциальных блоков. Сигналы с выходов дифференциальных блоков поступают на входы блока записи данных. На третий вход блока записи данных поступает информация о положении ядерной фотоэмульсии из системы перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии.

Два мезооптических изображения прямого следа частицы перемещаются в пространстве одновременно с движением ядерной фотоэмульсии относительно освещающего пучка света. При этом мезооптиче- ские изображения попадают на входные

kf

- Ssl

i2

xi

СЛ

торцы световодов в различные моменты времени, и разность между ними является мерой z-координаты наблюдаемого следа частицы. Сигналы фототока в реальном эксперименте видны на фоне равномерной засветки от отдельных зерен серебра, случайно разбросанных в слое ядерной фотоэмульсии.

Чтобы подавить указанный фон, сигналы фототоков подвергают дифференцированию в двух дифференцирующих ячейках. На выходе каждой дифференцирующей ячейки возникает биполярный сигнал времени. Моменты появления двух пар биполярных сигналов тц-,т - в левом плече и г ч-, г -в правом плече устройства заносят в блок записи данных.

При работе известного устройства включают источник коллимированного пучка света, фотоприемники, дифференцирующие блоки, систему перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии, а также блок записи данных. Устанавливают ядерную фотоэмульсию в рабочее положение и начинают поиск следов частиц заданной ориентации. Скорость перемещения равна v, шаг отсчета Ах, а тактовая частота f v/ Ax. По моментам появления двух пар биполярных сигналов ,г - ,,т - находят х-координа- ту следа частицы

(тЦ-+Г +тЧ-+г5-)(1)

(2)

и z-координату того же следа частицы (гЦ-+г)-(тЗ-+т -)

Недостаток известного устройства состоит в том, что он может работать только для вполне определенного уровня фона. Если уровень фона выше этого значения, то возникают ситуации, когда на входы блока записи данных поступает не четыре, а только три биполярных сигнала. В этом случае просмотр ядерной фотоэмульсии приходится производить повторно. Несмотря на то, что подобные ситуации возникают не для каждого следа частицы, необходимость в повторных операциях поиска следа частицы приводят к снижению быстродействия известного устройства.

Цель изобретения - повышение быстродействия за счет увеличения отношения сигнал/шум.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для поиска следов частиц, содержащее последовательно расположенные источник коллимированного пучка света, линзу преобразования Фурье, мезо- оптический элемент с кольцевым откликом,

снабженный первым и вторым световодами, на выходах которых установлены одноименные фотоприемники, выходы которых соединены с входами одноименных

5 дифференцирующих блоков, а также систему перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии и блок записи данных, выход системы перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии

10 соединен с входом блока записи данных, введены положительная цилиндрическая линза, установленная на оси коллимированного пучка света, а также блок перемножения сигналов, при этом первые выходы

15 первого и второго дифференцирующих блоков соединены с входами блока перемножения сигналов, выход которого и вторые выходы дифференцирующих блоков соединены с входами блока записи данных.

20 На чертеже приведено предлагаемое устройство.

Устройство содержит источник 1 колли- мироввнного пучка света, положительную цилиндрическую линзу 2, линзу преобразо25 вания Фурье 3, мезооптический элемент 4 с кольцевым откликом, систему 5 перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии, первый и второй световоды 6, первый и второй фотоприемники 7, первый

30 и второй дифференцирующие блоки 8, блок 9 перемножения сигналов, блок 10 записи данных.

Свет из источника 1 коллимированного пучка света проходит через положительную

35 цилиндрическую линзу 2, линзу преобразования Фурье 3 и просвечивает рабочий участок ядерной фотоэмульсии, скрепленный с системой 5 перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии. Мезооптиче40 ский элемент 4 с кольцевым откликом формирует два мезооптических изображения, первое (левое) и второе (правое), которые попадают на входы одноименных световодов 6, которые видят всю освещен45 ную область ядерной фотоэмульсии.

Сигналы фототока, возникающие одновременно в первом (левом) и втором (правом) фотоприемниках 7, поступают на входы одноименных дифференцирующих блоков

50 8. С первых выходов первого и второго дифференцирующих блоков 8 сигналы поступают на два входа блока 9 перемножения сигналов. В блок 10 записи данных поступают сигналы с выхода блока 9 перемножения

55 сигналов и с вторых выходов дифференцирующих блоков 8.

Благодаря тому, что фоны в первом (левом) и втором (правом) плечах пг длагаемо- го устройства являются неза мсимыми, результирующий фон длч сигналов на выходе блока 9 перемножения сигналов оказывается существенно меньше фона на выходе каждого дифференцирующего блока 8.

Устройство для поиска следов частиц работает следующим образом.

Включают источник 1 коллимированно- го пучка света, фотоприемники 7, дифференцирующие блоки 8, блок 9 перемножения сигналов, блок 10 записи данных, а также систему 5 перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии. Ядерную фотоэмульсию устанавливают в рабочее положение так, чтобы ориентация искомого следа частицы была параллельна узкой освещенной области слоя ядерной фо- тоэмульсии, но перпендикулярна вектору скорости v движения ядерной фотоэмульсии на стадии поиска. Процесс ведут до тех пор, пока в блок 10 записи данных не поступит сигнал искомого следа частицы. Предла- гаемое устройство может работать без сбоев при более высоком уровне фона от случайных зерен серебра, чем известное.

Не возникает необходимости в проведении повторных операций поиска, что при- водит в конечном счете к повышению быстродействия устройства.

Пример. Ширина освещенной области равна 8 мкм на толщину ядерной фотоэмульсии 200 мкм. Скорость движения ядерной фотоэмульсии v 10 мм/с, шаг отсчета Ах 2 мкм, тактовая частота всех электрически- электронных операций равна 5 кГц. Размеры входных торцов световодов б равны 0,02 2 мм.

В наиболее типичном случае число зерен серебра, освещенных в пределе поля зрения устройства, равно S 300 ±16, а интенсивность фона от случайно разбро- санных зерен серебра соответствует N 10 ±10 зерен. После дифференцирования от фона остается флуктуирующая компонента с интенсивностью CTN 100 зерен.

Соотношение сигнала к шуму, которое в исходном сигнале фототока равнялось S/N 3 : 100, улучшается до S/ ON 3 : 1. После перемножения двух продифференцированных сигналов в блоке 9 перемножения сигналов соотношение сигнала к шуму станет равным 9:1.

Двухкаскадная система подавления шумов в предлагаемом устройстве позволяет улучшить отношение сигнала к шуму в 270 раз. Приведенные оценки были проверены экспериментально. Вместо ожидаемого отношения сигнала к шуму на выходе блока 9 перемножения сигналов, равного 9:1, было найдено, что отношение сигнала к шуму равно 7,5 :1. Быстродействие устройства повысилось в 1,7 раза.

Формула изобретения

Устройство для поиска следов частиц, содержащее последовательно расположенные источник коллимированного пучка света, линзу преобразования Фурье, мезооптический элемент с кольцевым откликом, снабженный первым и вторым световодами, на выходах которых установлены одноименные фотоприемники, выходы которых соединены с входами одноименных дифференцирующих блоков, а также систему перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии и блок записи данных, выход системы перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии соединен с входом блока записи данных, о т- личающееся тем, что, с целью повышения быстродействия за счет увеличения отношения сигнал/шум, в устройство введены блок перемножения сигналов и положительная цилиндрическая линза, установленная на выходе источника коллимированного пучка света, первые выходы первого и второго дифференцирующих блоков подключена к входам блока перемножения сигналов, выход которого и вторые выходы дифференцирующих блоков соединены с соответствующими входами блока записи данных.

Изобретение относится к технической физике. Его использование в спектрометрических приборах позволяет повысить быстродействие за счет увеличения отношения сигнал/шум. С этом целью оптическая часть устройства дополнена положительной линзой, а электрическая - перемножителем сигналов, ил.