Интегральный дискриминатор

МЕТОДЫ ОТБОРА СОБЫТИЙ

В процессе выполнения работы студенты знакомятся с электронными устройствами, предназначенными для отбора событий в экспериментальной  ядерной физике, изучают методы калибровки и исследования характеристик отдельных  устройств и системы из двух сцинтилляционных детекторов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Отбор событий в экспериментах по ядерной физике.

Наряду с измерением основных характеристик излучения, таких как энергия и заряд частиц, время и координата пролета частиц через детектор и некоторых других, важной задачей при проведении ядерно-физического эксперимента является отбор событий. Например, отбор необходим во всех экспериментах по измерению амплитуды сигналов с детектора для ограничения регистрации сигналов с малыми амплитудами, вызываемыми шумами и наводками. При регистрации сложных событий, в которых участвует несколько детекторов, необходимо соблюдение условий совпадения сигналов с детекторов и электронных устройств.

Сигнал, вырабатываемый системой отбора событий, называется триггерным или просто триггером. Триггеры могут быть очень разными, можно выделить следующие основные:

- триггеры на топологию событий (на множественность треков, на направление движения частиц, на импульс частиц);

- триггер на точку взаимодействия (особенно это важно для коллайдеров);

- триггер на выделенную энергию (или на недостающую);

- триггер на тип частиц.

Для обеспечения отбора событий применяются различные устройства, как общепринятые, так и узкоспециализированные, предназначенные для конкретного эксперимента (для формирования таких триггеров могут использоваться не только сложные логические схемы, но и специализированные процессоры и компьютеры). В крупных многодетекторных экспериментах используется многоуровневый триггер: в триггер первого уровня включается информация с наиболее быстрых детекторов, в следующие триггеры (второго уровня, третьего и т.д.) подключается информация с более медленных детекторов, а также информация с предварительной компьютерной обработкой. Такая организация эксперимента снижает просчеты полезных событий и позволяет более рационально использовать память.

В данной работе будут рассмотрены наиболее употребительные электронные устройства, предназначенные для отбора событий.

Стандарты на уровни сигналов

Как правило, физические установки состоят из большого количества блоков, соединяемых кабелями. Для того, чтобы можно было собирать любую конфигурацию установки и для взаимозаменяемости электронных модулей, все они должны работать с идентичными уровнями сигналов (длительность выходных логических сигналов не стандартизуется, выбирается исходя из требований эксперимента). В настоящее время наиболее часто используемыми являются стандарты NIM и TTL.

В качестве «медленных» логических сигналов для выходов и входов электронных узлов, работающих в области микросекундных сигналов, чаще всего используются уровни TTL-логики: низкий уровень – 0 В (с возможным допуском  <0,8 В),  высокий  – 5 В (>2,4 В). Входное сопротивление электронных узлов, рассчитанных на этот стандарт, составляет ~1 кОм.

В качестве «быстрых» логических сигналов, предназначенных для высоких скоростей счета, для прецизионных временных измерений, используется отрицательный NIM-сигнал. Этот стандарт определен только для работы с согласованным 50-Омным кабелем, т.е. входное сопротивление применяемых блоков должно быть 50 Ом. Отрицательный NIM-сигнал – токовый: низкий уровень 0 мА (0 В на 50 Ом), высокий уровень -16 мА (-800 мВ на 50 Ом). Фронт импульсов составляет примерно 2 нс. Этот стандарт является наиболее употребляемым в физических установках, собираемых из отдельных блоков. При применении линий связи между блоками в виде «скрученных пар» используются другие стандарты: ECL, PECL, LVDS.

Стандарт определен и для аналоговых сигналов: «быстрые» сигналы с детекторов и высокочастотных усилителей – отрицательные (работающие на 50 Ом), «медленные» - положительные с амплитудой до 10 В (в настоящее время есть тенденция к уменьшению диапазона амплитуд до 4 В и в будущем до 1- 2 В).

 

 

Интегральный дискриминатор

Интегральный дискриминатор (ИД) представляет собой прибор, который контролирует уровень входного линейного сигнала и при превышении заданного порога выдаёт логический импульс. Используются также другие термины, обозначающие это устройство: пороговый дискриминатор, амплитудный дискриминатор, дискриминатор-формирователь. 

В качестве порогового устройства обычно применяются компараторы, которые выпускаются в широком ассортименте по быстродействию, по потребляемой мощности, по диапазону входных амплитуд. Блок-схема ИД и временные диаграммы представлены на рис.1.

 

 

 

Рис.1 Блок-схема интегрального дискриминатора и временные диаграммы работы

 

Входной сигнал поступает на один из входов компаратора, на втором входе задается напряжение, соответствующее порогу. Если амплитуда входного сигнала превышает заданный порог, на выходе компаратора появляется сигнал, длительность которого определяется формой входного сигнала и значением порога. Для формирования стандартного выходного сигнала после компаратора устанавливается одновибратор, длительность на выходе которого не зависит от длительности входного сигнала, и формирователь уровней выходных логических сигналов ИД.