Гаврилов Основы ядерной електроники ч.1 2010

3

4

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ЯДЕРНОФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

1.1. Назначение и особенности ядерной электроники

Ядерная электроника обслуживает различные области ядерной физики и атомной техники. В их числе: спектрометрия, радиометрия и дозиметрия ионизирующих излучений, атомная энергетика, производство и использование делящихся материалов и т.д. Методы и аппаратура ядерной электроники широко используются также в других областях науки и техники, например, в медицине, геологии, сейсмологии, при исследовании океана и атмосферы, при изучении вибраций…

Всовременных измерительно-вычислительных системах ядерной электроники информация об изучаемых или контролируемых объектах или процессах с помощью детекторов (датчиков) обычно преобразуется в электрические сигналы. Затем эти сигналы усиливают и отбирают среди них содержащие полезную информацию, руководствуясь заранее определенными признаками (например, по амплитудам, моментам появления, форме сигналов, различным логическим условиям и т.п.). Отобранные сигналы или их характеристики, несущие полезную информацию, преобразуют в цифровые коды, накапливают в запоминающих устройствах и подвергают математической обработке иногда в аналоговой, а чаще в цифровой форме. Результат обработки либо используется для автоматического регулирования объекта (процесса) и (или) измерительного тракта, либо выводится из системы на различные носители информации для прямого использования человеком.

Всоответствии со сказанным обобщенную структурную схему электронной части практически любой физической установки можно представить так, как показано на рис. 1.1. В общем случае на экспериментальном объекте может одновременно проводиться m экспериментов (или групп экспериментов), обслуживаемых m из-

5

6

Рис. 1.1. Структура электронного обеспечения физической установки

мерительными системами. Каждая из систем организуется как иерархическая многоуровневая система с микропроцессорами, про- граммно-управляемыми модульными устройствами и ЭВМ разного типа, что значительно расширяет возможности ядерных исследований, обеспечивает сбор и обработку больших потоков информации.

Форма и способы представления информации на входах и выходах различных устройств могут не совпадать. Для сопряжения этих устройств друг с другом используются стандартные интерфейсы, которые также имеют иерархическую организацию. Главный интерфейс системы – это стык между ЭВМ и измерительной частью. Интерфейс нижнего уровня (измерительной части) связывает измерительные модули с машиной эксперимента (обычно, мини-ЭВМ).

Модули представляют собой функционально законченные элементы системы, имеющие одинаковый интерфейс входа-выхода. Наиболее распространенные интерфейсы измерительной части: CAMAC, VME-BUS, FASTBUS. Машина эксперимента осуществляет управление модулями и предварительную обработку экспериментальных данных. Полная и окончательная обработка выполняется большой ЭВМ, где хранятся также программы обработки и управления, банки данных и т.д.

С точки зрения преобразования информации сказанное выше можно представить в виде некоторого алгоритма работы измерительной системы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Функциональная схема преобразования информации

7

Приведенный алгоритм характерен для любых измерений. Специфика ядерно-физических измерений в первую очередь состоит в том, что непосредственно измеряемые величины носят статисти-

ческий характер (поэтому во всех случаях измерительная аппаратура должна регистрировать результаты, связанные с большим числом событий).

Другая специфическая черта, которую необходимо учитывать при проектировании измерительной аппаратуры для ядерно-

физических исследований, – статистический характер распреде-

ления событий во времени. Даже при проведении сравнительно простого эксперимента – счета числа событий – такой случайный характер распределения событий во времени предъявляет довольно жесткие требования к измерительному устройству: мгновенная максимальная скорость счета должна примерно на два порядка превышать среднюю интенсивность исследуемого потока событий.

Со статистическим характером исследуемых событий имеют дело и в других областях науки и техники. Однако редко где можно встретиться с необходимостью одновременного удовлетворения в измерительной аппаратуре таких противоречивых требований, как точность, быстродействие, большое число регистрируемых параметров. В ядерной физике часто измеряют величины с погрешностью 0,1…0,01%, поступающие с интенсивностью 106 событий в секунду и более, а результаты измерений накапливают в 104…106 различных участках регистрирующего устройства.

Следует учитывать, что в некоторых случаях измерения длятся непрерывно несколько суток, в процессе измерений приходится поддерживать определенные режимы работы аппаратуры и установок, а иногда и менять режимы работы. Таким образом, аппаратура должна удовлетворять жестким требованиям по стабильности и надежности, а также должна быть предусмотрена возможность программного управления характеристиками аппаратуры и установок. Нередко при конструировании аппаратуры приходится учиты-

вать и возможность ее работы в агрессивных средах, в частности,

в радиационных полях. Остановимся далее несколько подробнее на

8

главной особенности, связанной со статистическим характером поступающих импульсов.

1.2.Статистика сигналов

1.2.1.СЛУЧАЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ

ВЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Практически все измеряемые процессы являются наложением более элементарных процессов, протекающих на молекулярном или атомном уровнях. Современная измерительная техника позволяет регистрировать процессы взаимодействия отдельных микро-

а

t

б

t

в

t

г

t

Рис. 1.3. Случайные процессы (сигналы, импульсные потоки) ядерной электроники: а – поток случайных импульсов конечной длительности; б – непрерывный случайный процесс (сигнал), полученный от наложений импульсов; в – аппроксимация импульсного случайного потока; г – пульсирующий поток случайных импульсов

9