Амплитудный анализатор

Прибор ядерной электроники, предназначенный для исследования распределения по амплитуде импульсов, приходящих от электронных детекторов частиц. Измерение амплитудного спектра F(A), где А - амплитуда импульса (сигнала, рис. 1, а), сводится к разбиению рабочего диапазона амплитуд на М равных интервалов и регистрации импульсов с амплитудами, лежащими в этих интервалах (каналах). Результат такого измерения изображен на рис. 1, б, где N_i - число событий, зарегистрированных в канале "i" за время измерения Т:

- плотность вероятности появления импульса с амплитудой А. Величина называется шириной i-го канала; М - число каналов амплитудного анализатора, обычно равное 1024, 4096 и 16384. Для идеального амплитудного анализатора =const. Различают одно- и многоканальные амплитудные анализаторы. В случае одноканального амплитудного анализатора последовательно задается значение и производится измерение числа событий в интервале амплитуд за время Т для каждого i. Обычно , где A₀ - начальная амплитуда, - ширина канала одноканального амплитудного анализатора (см. Амплитудный дискриминатор). Полное время измерения спектра при этом равно МТ, т. е. в М раз больше, чем для многоканального амплитудного анализатора.

Многоканальный амплитудный анализатор содержит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), регистр адреса (РА), регистр данных (РД), блок запоминающего устройства (ЗУ), блок управления, а также узлы отображения накопленных спектров и сопряжения с внешними устройствами (рис. 2). Разрешающая способность амплитудного анализатора, его стабильность и диапазон измеряемых амплитуд зависят главным образом от АЦП. Для аналогово-цифрового преобразования используются: а) метод зарядки и линейной разрядки конденсатора (способ Вилкинсона); б) метод т. н. поразрядного уравновешивания; в) т.н. параллельный способ, где применяются M+1 схем сравнения (компараторов), комбинации этих методов. Наибольшее быстродействие обеспечивает метод в, наилучшую линейность - а, по точности конкурируют методы а и б. Для временнОго отбора в АЦП предусмотрен вход стробирования. В зависимости от стоящей задачи в код преобразуется максимальное значение сигнала за время строб-импульса или его интеграл.

На рис. 3 поясняется принцип преобразования Вилкинсона. Конденсатор С заряжается до амплитудного значения входного сигнала. Далее начинается разрядка емкости С постоянным током i_p до нулевого потенциала. Время разрядки, пропорциональное амплитуде импульса А, заполняется импульсами т. н. тактового генератора, которые подсчитываются счетчиком. Количество n разрядов связано с числом каналов М соотношением: М=2n. Число, полученное в РА к концу преобразования, и представляет собой код амплитуды. РА определяет адрес ячейки ЗУ, которое имеет М ячеек по k разрядов в каждой. Это позволяет записать до 2^k-1 событий в каждый из каналов. После завершения преобразования содержимое ячейки, номер которой хранится в РА, записывается в регистр данных РД. К коду в РД добавляется 1, и полученный результат возвращается в ту же ячейку памяти. Т. о., память амплитудного анализатора работает в режиме многоканальной пересчетной схемы, где каждому каналу поставлен в соответствие определенный интервал амплитуд.

ЗУ выполняется на ферритовых кольцах, что позволяет сохранить результат при выключении питания, или на интегральных схемах. Содержимое памяти обычно отображается на экране электронно-лучевой трубки (рис. 1, б). По горизонтали откладывается номер i канала, а по вертикали - число событий в канале N_i; в нормальном или логарифмическом масштабе. Устройство управления анализатора организует режимы измерения и проверки. Т. к. время измерения сравнительно велико, необходимо учитывать т. н. мертвое время амплитудного анализатора (время нечувствительности амплитудного анализатора после каждого импульса).

Для получения сопоставимых результатов различные измерения проводятся для равных величин "живого" времени где равно времени измерения, J - число зарегистрированных событий, - мертвое время при регистрации j-го события. Кроме экспозиций по "живому" времени возможны режимы измерения, при которых набирается заданное число событий в выбранном канале или в совокупности всех каналов. Кроме отображения данных на электронно-лучевой трубке часто результаты выводят на самописец или в ЭВМ. Амплитудные анализаторы строятся па базе микро-ЭВМ, связанной через устройство сопряжения с АЦП. В этом случае спектрометрические данные выводятся на внешние устройства ЭВМ. Микро-ЭВМ дает оператору возможность проводить коррекцию результатов анализа спектра с учетом мертвого времени или нелинейности АЦП, вычислять интегралы числа событий в пиках, осуществлять нормировку, вычитание фона и т. д. Разрешающая способность амплитудного анализатора определяется числом каналов М и формой границ между ними. Дифференциальная нелинейность характеризует максимальное отклонение ширины канала от среднего значения и, в зависимости от используемого типа АЦП, лежит в пределах 0,1-20%.