УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Советский патент 1994 года по МПК G01T1/208 

Изобретение относится к области измерения ионизирующего излучения, в частности к сцинтилляционным детекторам, и предназначено для обнаружения и выделения наложения световых импульсов.

Импульсы наложения вызывают искажения результатов при изучении статистических событий, особенно при регистрации частиц низких энергий в присутствии частиц высокой энергии, а также при работе на ускорителях и каротаже скважин с импульсным источником излучения.

Это случайно суммируемые импульсы, отстоящие на интервал времени, меньший, чем время восстановления электронной измерительной схемы.

Вероятность такого события зависит от длительности импульса, скорости счета и соотношения амплитуд импульсов наложения.

Известны устройства обнаружения и выделения импульсов наложения. Так при дифференцировании сигналов может происходить наложение импульса на обратный выброс от первого, что приводит к неправильному измерению амплитуды, а при измерении временных распределений - искажает измеряемое время. Обратный выброс из-за наложений снимают двойным RC-дифференцированием или формированием с помощью двойной линии задержки. В ряде случаев искажения из-за наложений уменьшают введением мертвого времени после регистрации первого импульса.

Однако эти устройства с использованием цепочек дифференцирования значительно уменьшают сигнал от детектора во всем временном диапазоне регистрации (если крутизна спада первого импульса сравнима с фронтом второго импульса), а введение мертвого времени не позволяет регистрировать импульс наложения, который в ряде случаев сопровождает первый импульс. Кроме того, все перечисленные схемы имеют низкий динамический диапазон отношения амплитуды импульсов наложения при заданном времени разрешения t_p, который определяется амплитудами импульсов наложения, соотношением крутизны спада первого импульса и крутизны нарастания второго импульса.

Известно устройство для управления сцинтилляционным детектором, содержащее фотоумножитель с управляющим электродом, генератор импульсов и анализатор. Генератор импульсов подает на управляющий электрод прямоугольный импульс, который переводит фотоумножитель в открытое состояние. Фотоумножитель преобразует без искажения формы световой импульс в электрический, который затем анализируется. Однако это устройство не позволяет выделить импульс наложения и имеет низкий динамический диапазон световых импульсов, ограниченный предельным током на выходе фотоумножителя.

Известно также устройство, предназначенное для регистрации света, содержащее триггер, один выход которого соединен с источником света, а другой через линию задержки - с генератором высоковольтных импульсов. Импульс с генератора поступает на резисторный делитель, через который осуществляется питание фотоумножителя. Выход фотоумножителя через низкочастотный фильтр соединен со схемой отбора импульсов. Однако это устройство имеет низкий динамический диапазон световых импульсов, ограниченный предельным током на выходе фотоумножителя, увеличение анодного тока фотоумножителя приводит к необходимости уменьшить величину сопротивлений звеньев делителя и, следовательно, к увеличению потребляемого тока от высоковольтного генератора импульсов.

Кроме того, для генератора высоковольтных импульсов, как правило, требуется высоковольтный источник постоянного тока, что приводит к усложнению конструкции устройства.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее фотоумножитель, выход которого соединен с анализатором, а управляющий электрод - с выходом сумматора, входы которого подключены к выходам функционального генератора и генератора импульсов, входы которых соединены с другим входом анализатора.

Динамический диапазон световых импульсов наложения, регистрируемых этим устройством, ограничивается величиной коэффициента пропускания фотоумножителя в закрытом состоянии (коэффициент пропускания равен отношению тока фотоумножителя в закрытом состоянии к току фотоумножителя в открытом состоянии) при его управлении по одному из электродов. Другим недостатком указанного устройства является наличие высоковольтного источника питания и делителя напряжения для питания фотоумножителя, что приводит к увеличению потребляемой мощности и усложнению схемы.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона регистрируемых световых импульсов наложения, уменьшение потребляемой мощности, упрощение электрической схемы и конструкции устройства.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство содержит блок согласования и трансформатор с одной первичной обмоткой, подключенной к выходу блока согласования, вход которого соединен с выходом сумматора и n последовательно соединенными вторичными обмотками, причем начало первой обмотки подключено к земляной клемме, к точке соединения обмоток подключены диноды фотоэлектронного умножителя, к фотокатоду которого подключен конец последней обмотки.

На чертеже показана схема описываемого устройства.

Устройство для регистрации световых импульсов содержит фотоумножитель 1, который имеет светочувствительный катод 2, последовательность динодов 3 и анод 4, нагрузку 5 фотоумножителя, трансформатор 6, первичная обмотка 7 которого соединена с блоком согласования 8, вход которого соединен с выходом сумматора 9, а вторичные обмотки 10 трансформатора подключены к соответствующим динодам фотоумножителя: начало первой вторичной обмотки подключено к земляной клемме (к одному концу сопротивления нагрузки, другой конец которого подключен к аноду ФЭУ), а ее конец к последнему диноду фотоумножителя, к которому подключено начало вторичной второй обмотки, конец которой подключен к следующему диноду и т. д. до последней вторичной обмотки, начало которой подключено к первому диноду, а конец - к фотокатоду фотоумножителя.

Два входа сумматора 9 соединены с выходами функционального генератора 11 и генератора импульсов 12, входы которых соединены с анализатором 13.

Устройство работает следующим образом.

Катод 2 фотоумножителя 1 преобразует поток света (от сцинтиллятора) в поток электронов, интенсивность которых пропорциональна яркости света. При наличии ускоряющего напряжения между динодами 3 поток электронов, испущенный катодом, усиливается от динода к диноду и собирается на аноде 4. Коэффициент усиления фотоумножителя (отношение величины анодного тока к величине тока катода) зависит от напряжения питания, т. е. I_a = M(U), где I_a - анодный ток ФЭУ, U - напряжение питания на фотоумножителе (между анодом и катодом).

До прихода импульса синхронизации на входы генераторов и анализатора фотоумножитель находится в закрытом состоянии, а его коэффициент усиления равен нулю, так как отсутствует напряжение питания. После запуска генераторов фотоумножитель импульсом напряжения блока согласования через импульсный трансформатор переводится в точку с пониженной (начальной) анодной чувствительностью. Величина начальной анодной чувствительности (амплитуда прямоугольного импульса с генератора 11) определяется амплитудой первого импульса и необходимым коэффициентом умножения фотоумножителя.

Если подобрать закон нарастания импульса функционального генератора таким образом, чтобы I_a(t) = M(U)˙ f(t) = const для t > t_o, где f(t) - закон спада первого импульса, M(U) = M[U_o +ϕ (t)] = M(U_o) M[ ϕ(t)] , ϕ (t) - форма импульса функционального генератора; t_o - момент прихода импульса синхронизации; M(U) - коэффициент усиления ФЭУ при напряжении U_o на генераторе импульсов 11, то на выходе фотоумножителя будет сниматься импульс с плоской вершиной, соответствующий первому импульсу f(t).

При наличии импульса наложения на спаде импульса на плоской вершине выходного импульса будет импульс, который выделяется с помощью обычной цепочки RC-дифференцирования. Анализатор выдает один импульс в случае прихода импульса наложения.

В ряде случаев регистрация импульсов наложения происходит на экспоненциально спадающем импульсе f(t) = e^-αt. С другой стороны, коэффициент усиления фотоумножителя экспоненциально зависит от напряжения питания M = e^ku. В этом случае импульс напряжения с функционального генератора следует выбирать в виде линейно нарастающей функции, что легко может быть осуществлено
f(t) ˙M(U) = e^-αt ˙e^ku = e^{-αt+k(U+βt)}
отсюда - α + Кβ = 0 B= K/α, где β - крутизна линейно нарастающего импульса функционального генератора (задается); α - постоянная спада первого импульса (известна); К - постоянный коэффициент, характеризующий фотоумножитель (известен).

Другим преимуществом предлагаемого устройства является уменьшение потребляемой мощности путем исключения резисторного делителя напряжения питания фотоумножителя и высоковольтного источника питания. Действительно, при питании фотоумножителя через делитель, потребляемая мощность составляет величину I_дел ˙U_ф≃ 10I_a ˙U_ф, гдe I_дел - ток делителя, значение которого должно превышать не менее, чем в 10 раз, значение анодного тока I_а фотоумножителя, U_ф - напряжение питания фотоумножителя. В предлагаемом устройстве мощность, потребляемая фотоумножителем, определяется следующим образом.

Так как ток фотоумножителя увеличивается от динода к диноду по мере приближения к аноду, то (при одинаковых коэффициентах усиления всех динодов) полный ток, отбираемый фотоумножителем, будет составлять приблизительно 2I_a, где I_a - ток на аноде фотоумножителя.

При равномерном распределении потенциалов между динодами фотоумножителя число витков во вторичных обмотках выбирается одинаковым W₂.

Соотношение витков в первичной обмотке W₁ и во вторичных W₂ m = W₂/W₁ выбирается в зависимости от амплитуды импульса U_o генератора 11 и необходимого коэффициента умножения фотоумножителя, которое зависит от междинодного напряжения U_д, т. е. m = W₂/W₁ = U_д/U_о. Отсюда U_д = mU_o. В этом случае, потребляемый фотоумножителем ток, приведенный к первичной обмотке трансформатора, составляет величину 2I_a ˙m, а потребляемая мощность составляет 2I_a ˙U_дт = 2I_a ˙U_д. По сравнению с питанием фотоумножителя через делитель выигрыш по мощности составляет 5U_ф/U_д≈50-70 раз, так как U_ф = 10-14˙ U_д при числе динодов 10-14.

Блок согласования предназначен для увеличения импульсной индуктивности трансформатора при заданных его размерах и согласования выхода сумматора с индуктивной нагрузкой трансформатора.

Таким образом, изобретение позволяет увеличить точность измерения, уменьшить потребляемую энергию, исключив высоковольтный источник питания, упрощает конструкцию устройства и увеличивает надежность его работы, так как одним трансформатором заменяется высоковольтный источник питания и цепь делителя напряжения с шунтирующими конденсаторами.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащее фотоэлектронный умножитель, анод которого соединен с входом анализатора, сумматор, входы которого соединены с выходами генератора импульсов и функционального генератора, входы которых соединены с другим входом анализатора, отличающееся тем, что, с целью увеличения динамического диапазона регистрируемых импульсов, уменьшения потребляемой мощности, оно содержит блок согласования и трансформатор с одной первичной обмоткой, подключенной к выходу блока согласования, вход которого соединен с выходом сумматора и последовательно соединенными вторичными обмотками, причем начало первой обмотки подключено к земляной клемме, к точкам соединения обмоток подключены диоды фотоэлектронного умножителя, к фотокатоду которого подключен конец последней обмотки.