4.1. Организация измерений пространственных, пространственно - временных и пространственно - амплитудно - временных распределений ядерных излучений.

Пример 1.

В качестве первого примера построения мультидетекторной измерительной системы, обеспечивающей пространственно - временные и пространственно-амплитудно-временные измерения, приведем электронное оборудование для экспериментальной установки "РАСПАД-2" . Измерительная система обеспечивает идентификацию процесса распада нейтрона по паре {е,р}к , где е - информация в электронном канале (время, энергия), р - информация в протонном канале (время, энергетическое окно), к - номер детектора, и фиксацию физических условий на единой для электронного и протонного каналов временной шкале на протяжении всего эксперимента.
На рисунке 1 приведен кластер электронного оборудования, обеспечивающий пространственно-амплитудно-временные измерения и состоящий из 4-х электронных и 4-х протонных трактов.

(Рисунок 1 в стадии подготовки)

Рис.1. Кластер электронного оборудования, обеспечивающий мультидетекторные амплитудно-временные измерения.


В приведенном кластере, равно как и в полномасштабном варианте электронного обеспечения, единая временная шкала для электронного и протонного каналов задается двумя время-кодовыми 26-разрядными многостоповыми преобразователями TDC RV161.03, непрерывно работающими в циклическом режиме после общего системного старта с общей тактовой частотой дискретизации временной шкалы. Максимальная тактовая частота TDC составляет 40 МГц. Каждый из этих преобразователей независимо формирует двоичный код времени поступления события в электронном и протонном каналах.
В каждом канале (электронном и протонном) регистрация и буферное накопление результатов измерения времени и энергии, фиксация номера детектора и физических условий, при которых произошло каждое измерение, осуществляются с помощью двухбанковых буферных памятей MEMORY RV154.01, каждая из которых имеет емкость 2 х 64К х 32р, VME интерфейс A24/A16/D16 и задатчик прерываний типа RORA-D16. Переключение банков в каждой памяти осуществляется автоматически, причем синхронно в протонном и электронном каналах.
Переключение происходит при одновременном обнулении (окончании каждого цикла) счетчиков времени время-кодовых преобразователей TDC RV161.03 и достигается выбором одинаковой длины этих счетчиков при общей тактовой частоте. Условием для правильного выбора длины счетчиков времени является отсутствие переполнения банков памяти в течение одного их цикла работы.
Электронный канал состоит из двух функциональных частей. Первая - обеспечивает временные измерения (временные тракты), вторая - измерение энергии и кодирование номера детектора (энергетические тракты). Временные тракты состоят из 4-канального спектрометрического усилителя AMPLIFIER RV165.03 с постоянной времени формирования t=200нс.
Канал спектрометрического усилителя RV165.03 содержит входную дифференцирующую цепь с коэффициентом усиления 1/5 (устанавливается перемычкой), переключатель полярности входного сигнала (устанавливается перемычкой), блок основного усиления с коэффициентом усиления (управляемым через VME интерфейс ) от 1 до 64 с шагом 2, квази-гауссиан формирователь 4 порядка, блок плавной регулировки усиления на 255 градаций с диапазоном регулировки 0.5-2 (управляемым через VME интерфейс), стробируемый восстановитель базовой линии с автоматическим определением порога дискриминирования, выходного каскада и VME интерфейс Slave A16/D08. Пассивные элементы, определяющие постоянную времени формирования усилительного канала, вынесены на мезонинную плату, которую можно оперативно заменять.
Выходные сигналы усилителя поступают на входы 4-канального дискриминатора CFD -NDC RV165.04 (другое название FTD - NDC ), обеспечивающего формирование логического сигнала временной отметки поступления события. CFD-NDC включает в себя 4 блока формирования временной отметки по методу привязки к постоянной части амплитуды входного сигнала (CFD), 4-канальный ЦАП, управляющий величиной напряжения дискриминаторов нижнего порога, кодировщик номера канала, 4-входовой 10-разрядный спектрометрический АЦП с 4-банковой анализаторной памятью для контроля порогов дискриминирования и амплитуд входных сигналов, VME интерфейс Slave A24/D16.
Логика построения модуля обеспечивает совместную работу на одну пару TDC RV161.03 - MEMORY RV154.01 до 16 модулей CFD-NDC RV165.04 , что обеспечивает построение систем, имеющих до 64 временных каналов. Энергетические тракты состоят из 4-канального спектрометрического усилителя AMPLIFIER RV165.03 с постоянной времени формирования t=1ј4мкс для обеспечения требуемого энергетического разрешения.
Выходные сигналы усилителя поступают на 4-входовой аналого - цифровой преобразователь ADC - NDC RV161.04, работающий в режиме внешнего старта по сигналам с дискриминатора временной отметки CFD - NDC RV165.04 и обеспечивающий измерение энергии электрона и кодирование номера детектора.
Модуль ADC - NDC RV161.04 включает в себя 4 пиковых детектора, 4-канальный ЦАП, управляющий величиной напряжений дискриминаторов нижнего порога, кодировщик номера канала, 10-разрядный спектрометрический АЦП, работающий на внешнюю шину, объединяющую модули ADC-NDC и MEMORY, VME-интерфейс Slave A24/D16. Логика построения модуля обеспечивает совместную работу на одну пару TDC RV161.03 - MEMORY RV154.01 или только на модуль памяти MEMORY RV154.01 до 16 модулей ADC - NDC RV161.04 , что обеспечивает построение систем, имеющих до 64 амплитудно-временных каналов или до 64 амплитудных каналов.
Сигналы временной отметки, объединяясь через логическое ИЛИ в ADC - NDC RV161.04, поступают на стоповый вход время-кодового преобразователя TDC RV161.03.
Данные в виде двоичных кодов с выходов TDC RV161.03 и ADC - NDC RV161.04 поступают на входы двух портов буферной памяти MEMORY RV154.01, где регистрируются в двух ячейках как одно слово, содержащее сведения о времени поступления события и физических условиях, при которых произошло измерение (первая ячейка памяти), об энергии и номере детектора (вторая ячейка памяти).
Сигналы о физических условиях подаются непосредственно на входы буферной памяти в виде потенциальных уровней отрицательной полярности в TTL - логике.
Протонный канал состоит только из временных трактов, эквивалентных временным трактам электронного канала за исключением того, что сигналы временной отметки дискриминатора CFD - NDC RV165.04, объединяясь в нем через логическое ИЛИ, поступают в качестве стоповых на TDC RV161.03, а дискриминатор CFD - NDC RV161.04 выполняет функцию кодировщика номера детектора. Данные в виде двоичных кодов с выходов TDC RV161.03 и CFD - NDC RV165.04 поступают на входы двух портов второй буферной памяти MEMORY RV154.01, где регистрируются также в двух ячейках как одно слово, содержащее сведения о времени поступления события и физических условиях, при которых произошло измерение (первая ячейка памяти), и о номере детектора (вторая ячейка памяти).
Считывание информации из буферных памятей осуществляется через магистраль VME по требованиям на прерывание, возникающим одновременно в двух модулях памяти в момент переключения в них банков, что позволяет осуществлять измерение, регистрацию и считывание в виде непрерывного процесса в течение времени, необходимого для набора требуемой статистики.
Отбор полезных событий с учетом времени их поступления, энергии, номера детектора, физических условий и анализа наложений перенесен на программный уровень.
Следует заметить, что использование единой абсолютной временной шкалы для электронного и протонного каналов, определяемой двумя время- кодовыми многостоповыми преобразователями TDC RV161.03 (непрерывно работающими в циклическом режиме после общего системного старта с общей тактовой частотой дискретизации временной шкалы), позволяет реализовать метод задержанных совпадений программным образом.
При этом длительность задержки протонов устанавливается программным образом до требуемой величины ( в данном случае 1 мс) с шагом, равным временному разрешению TDC, составляющему 25 нс. Отметим, что при этом не требуется дополнительных аппаратных затрат по сравнению с традиционным методом организации относительной временной шкалы (START/STOP-ная организация временной шкалы), при которой для обеспечения задержанных совпадений требуются элементы задержки в стоповом канале.
Управление модулями VME (пороги дискриминирования, усиление, системный старт и останов) осуществляется программно.
Базовый набор модулей [10 модулей VME =4e+2p+2ґ(TDC+MEMORY)] обслуживает 8 измерительных трактов. Масштабирование до 64 трактов (полномасштабный вариант для двух каналов) производится простым наращиванием числа модулей без изменения схемы измерений [ ( 52 модуля VME = (4e+2p) + 2ґ(TDC+MEMORY)] - смотри таблицу 2.
Предусилители PREAMPLIFIER RA165.02 осуществляют преобразование вида заряд - напряжение и согласованы с спектрометрическими усилителями AMPLIFIER RV165.03.

Таблица 2. Минимальный и полный комплекты измерительного VME - оборудования для обеспечения пространственно-амплитудно-временных измерений.

Тип модуля TDC MEMORY AMPLIFIER CFD-NDC ADC-NDC PRE-AMPLIFIER
Код модуля RV161.03 RV154.01 RV165.03 RV165.04 RV161.04 RA165.02
8 трактов (два канала) 1e+1p=2 1e+1p=2 2e+1p=3 1e+1p=2 1e=1 4e+4p=8
64 тракта (два канала) 1e+1p=2 1e+1p=2 8x(2e+1p)=24 8x(1e+1p=16 8x1e=8 8x(4e+4p)=64

Основные технические возможности используемого электронного оборудования следующие:

Представленная организация измерительного оборудования, в основе которой является время-кодовый многостоповый преобразователь и буферная память для привязки исследуемого физического процесса к реальному времени, позволяет создавать электронное обеспечение мультидетекторных экспериментальных установок не только для решения экспериментальных задач в области ядерной физики, но и для задач, решаемых в области физики конденсированного состояния.
Разработанные измерительные VME - модули и блоки позволяют использовать их при создании дифрактометров и рефлектометров с интегральной и времяпролетной методиками измерений.
Для организации мультидетекторной измерительной системы, одновременно обеспечивающей как времяпролетную, так и интегральную методики измерений (пространственно - временных и простарнственных измерений), помимо модулей TDC и MEMORY необходимо использовать 4-канальный счетчик RV111.06 и 32-входовой кодировщик номера детектора RV161.06.
Счетчик RV111.06 включает в себя 4 32-разрядных счетных канала с максимальной входной скоростью счета в канале 5 МГц (счетный канал включает в себя: входной буферный каскад с переключаемым коэффициентом усиления 1/4 для приема аналоговых сигналов, стабилизатор базовой линии, дискриминатор нижнего уровня с формирователем выходных сигналов TTL уровня, приемник логических счетных импульсов TTL/NIM уровней, 32-разрядный счетчик), 4-канальный ЦАП, управляющий величиной напряжения дискриминаторов нижнего порога, 4-входовой 10-разрядный спектрометрический АЦП с 4-банковой анализаторной памятью для контроля порогов дискриминирования амплитуд входных аналоговых сигналов, VME-интерфейс Slave A24/D16.
32-входовой кодировщик номера детектора NDC RV161.06 представляет собой 32-входовой приемник логических сигналов TTL уровня ( активный уровень - логический 0), приоритетный шифратор номера канала, работающий на внешнюю шину, объединяющую модули NDC и MEMORY. Логика построения модуля обеспечивает совместную работу на одну пару TDC RV161.03 - MEMORY RV154.01 до 8 модулей NDC RV161.06, что обеспечивает построение систем, имеющих до 256 времяпролетных каналов.