Устройство для измерения интенсивности импульсных потоков элементарных частиц

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОТОКОВ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, содержащее последовательно соединенные детектор, усилитель-формирователь и логическую схему И, два счетчика импульсов, переключатель и блок управления, один из входов логической схемы И соединен с бдоком управления, а выход - с одним из счетчиков импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности процесса измерений путем автоматического исключения зависимости ошибки от величины потока, в него введены логическая схема И-НЕ, третий счетчик импульсов, последовательно соединенные линия задержки, второй усилитель-формирователь и ключевая схема, вычислитель, ключ переноса данных, индикатор, причем входы логической схемы И-НЕ соединены с усилителем-формирователем, блоком управления и с выходом ключевой схемы, а ее выход соединен с вторым счетчиком импульсов, один вход третьего счетчика импульсов соединен с выходом ключевой схемы, второй вход - с блоком управления, а выходы через ключ переноса данных соединены с вычислителем, второй вход которого соединен с переключателем, другие входы вь1числителя соединены с блоком управления, а выход - с индикатором, кроме того, второй вход логической схемы И соединен с выходом ключевой схемы.. /Vfl

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (51) 4 С 01 Т 1/17

ВСГгЕ;.,:>, 13,. ™,!

c, (1

- вИ-;;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф(к) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3334185/18-25 (22) 02.09.81 (46) 30.09.86. Бюл. Р 36 (72) М.Б. Алексеев, Ю.Н. Антонов, Е.В. Зубков, Е.А. Цыганков и Ю.В. Китлер (53) 535.214.4(088.8) (56} Авторское свидетельство СССР

Р 488173, кл. С 01 Т 1/16, 1974.

Труды VI Международного симпозиума по ядерной электронике. Дубна, 1972, с. 356-360. (54)(57} 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ИНТЕНСИВНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОТОКОВ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, содержащее последовательно соединенные детектор, усилитель-формирователь и логическую схему И, два счетчика импульсов, переключатель и блок управленим, один из входов логической схемы И соединен с блоком управления, а выход — с одним из счетчиков импульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения производительности процесса изме-. рений путем автоматического исключения зависимости ошибки от величины потока, в него введены логическая схема И-НЕ, третий счетчик импульсов, последовательно соединенные линиязадержки, второй усилитель-формирователь и ключевая схема, вычислитель, ключ переноса данных, индикатор, причем входы логической схемы И-НЕ соединены с усилителем-формирователем, блоком управления и с выходом ключевой схемы, а ее выход соединен .с вторым счетчиком импульсов, один вход с третьего счетчика импульсов соединен с выходом ключевой схемы, второй вход — с блоком управления, а выходы щ через ключ переноса данных соединены с вычислителем, второй вход которого соединен с переключателем, другие входы вычислителя соединены с блоком управления, а выход — с индикатором, Я кроме того, второй вход логической схемы И соединен с выходом ключевой схемы.

1031316. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит две цепи формирования, каждая из которых состоит из по"ледовательно соединенных логической схесхемы И-НЕ, триггера и логической схесхемы И, а также содержит логические схемы ИЛИ, И, триггер и кнопочный выключатель, причем каждая цепь формирования подключена через переключатель к выходу соответствующего счетчика импульсов, логические схемы ИЛИ

Изобретение относится к радиационной технике, в частности к автоматическим устройствам, предназначенным для измерения потоков элементарных частиц от импульсных источников. 5

Такими источниками могут быть, напри мер,,импульсные ускорители заряженных частиц, широко применяемые в различных областях науки и техники.

При использовании ускорителей 10 возникает задача измерения первичного потока частиц, либо потока вторичного обратно рассеянного излуче.ния, возникающего в результате взаимодействия первичного потока с раз- 15 личными материальными объектами.

Прч проведении измерений число частиц, поступающих на детектор, определяется параметрами первичного источника, конструктивными и геомет- 20 рическими параметрами детектора, а также взаимным расположением детектора и источника.

Если число частиц, поступающих на детектор, мало по сравнению с

25 числом частиц, излучаемых источником за один импульс, оно подчинается распределению Пуассона.

Предлагаемое устройство предназначено для измерения потоков с Пуас- 30 соновским распределением числа частиц от одиночного импульса и может быть использовано в экспериментальных. и промышленных установках, где прчменяются импульсные источники излуче- З5 ний.

Известны и применяются в радиационной технике устройства для измерения интенсивности импульсных потоков, .счетчики числа регистраций детектои И подключены параллельно к одному из входов ло ических схем И и И-НЕ

;устройства, выход логической схемы ИЛИ соединен с входами логических схем И-НЕ, выход логической схемы И соединен с входом триггера, который через кнопочный выключатель соединен с входом ключевой схем, входы логи.ческих схем И соединены с входом ключа переноса данных, а входы соединены с входами вычислителя. ров, в которых статическая ошибка измерений (о ) числа регистраций детектора задается заранее выбором емкости счетчика (М): причем измерения прекращаются автоматически по заполнении основного счетчика, т.е. при наборе статистики, обеспечивающей величину ошибки не хуже заданной. Ошибка измерения оценивается в предположении о нормальном распределении числа регистраций в зависимости от времени экспозиции.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения интенсивности импульсных потоков элементарных час тиц, содержащее два детектора с усилителями-формирователями, логические схемы И, два счетчика импульсов, переключатель и блок управления, в котором один из входов логической схемы

И соединен с блоком управления, а выход — с одним из счетчиков импульсов.

В известном устройстве обеспечивается заданная погрешность измерений за счет автоматического обеспечения необходимого объема выборки.

Однако недостатком этого устройства является то, что при изменении скорости счета в процессе заполнения счетчика (набора импульсов) достоверность полученного результата, т.е. вероятность того, что ошибка измерений не превышает заданную, становится неопределенной. Для получения результата с известной постоянной дос(2) 3 103 1 316 4 товерностью требуется статическая об- логические схемы ИЛИ и. И подключены работка полученных результатов, что параллельно к одному иэ входов логиснижает производительность процесса . ческих схем И н И-НЕ устройства, выизмерений. ход логической .схемы ИЛИ соединен с

Другим недостатком является то, 5 входами логических схем И-НЕ: выход что при измерении не учитывается ста- логической схемы И соединен с входом тистический характер распределения триггера, который через кнопочный числа частиц, попадающий на детектор . выключатель соединен с входом ключев интервале предельного временного вой схемы, входы -логических схем И, разрешения детектора. 10 соединены с входом ключа переноса

Цель изобретения — повышение про- данных, а выходы соединены с входами . изводительности процесса измерений . вычислителя. путем автоматического подключения В предлагаемом устройствЕ учитызависимости ошибки от величины потока вается статистический характер рас.при заданной достоверности результата 15 пределения числа частиц, попадающих измерений. на детектор, производится автоматиПоставленная цель достигается еский выбор необходимой зависимости, тем, что в устройство для измерения обеспечивающей минимальную погрешинтенсивности импульсных потоков эле- ность при заданной достоверности рементарных частиц, содержащее последо-2О зультата измерения с последующей его вательно соединенные детектор, уси- идентификацией. При этом, помимо соклитель-формирователь и логическую ращения времени измерений, исключасхему И, два счетчика импульсов, пе-" ется трудоемкий этап статистической реключатель и блок управления, один обработки результатов измерений. из входов логической схемы И соедине. 25 На фиг. 1 показано распределение ны с блоком управления, а выход — с вероятности событий при проведении одним из счетчиков импульсов, введе- М испытаний; на фиг. 2 — зависимость- ны логическая схема. И-НЕ, третий ошибки измерений от величины потока счетчик импульсов, последовательно для N =const; на-фиг. 3 дана табсоединенные линия задержки, второй Зб лица расчетных значений ошибки изме- усилитель-формирователь и ключевая рений в зависимости от емкости счетсхема, вычислитель, ключ переноса чика; на фиг. 4 — функциональная схеданных, индикатор, причем, входы логи- ма предлагаемого устройства на

t ческой схемы И-НЕ соединены с усили- фиг. 5 — временные диаграммы, поясня-: телем-формирователем, блоком управле-З ющие работу устройства.

35 ния и с выходом ключевой схема, а Для пуассоновского распределения ее выход соединен с вторым счетчиком вероятность регистрации не менее одимпульсов, один вход третьего счетчи- ной частицы, за импульс первичного. ка .импульсов соединен с выходом клю- источника: чевой:схемы, второй вход — с блоком 4О управления, а выходы через ключ пере- P (В 1) = 1 носа данных соединены с вычислителем, второй вход которого соединен с пере- где Я = Е ° й, (3) ключателем, другие входы вычислителя соединены с блоком управления, а вы- 45. где Я - эффективность регистрации од — с индикатором, кроме того, вто- . детектора. ой вход логической схемы И соединен - С вЂ” длительность импуль а с выходом ключевой схемы. М вЂ” среднее число ьн сть импульса;

i — среднее число частиц, при»

Кроме того, блок управления содер- ходящих на детектор в едижит две цепи формирования, каждая .из 50 . ницу времени. которых состоит из последовате ьно : Вероятность отсутствия регистрации соединенных логической схемы H-HE (нулевой исход испытлния); триггера и логической схемы И, а также содержит логические схемы ИЛИ, И, триггер и кнопочный выключатель, : Задача измерения потока состоит в причем каждая цепь формирования под- измерении величины с последующим ключена через переключатель к выходу пересчетом ее на единицу площади расортветствуюшего счетчика импульсов, бочей поверхндсти детектора. (5) Ф=-In (1 — — ) и

Х (6) (14) где

Й = 4 (s„N), (t5) 3 q (э,н,), (16) или

Я=- In (— ) 1о

Х (7) где где (13) S 10313

Очевидно, что относительная пог— решность измерения

Исходя из Пуассоновского закона распределения (малая загрузка детектора), считаем, что за один импульс детектор регистрирует не более 1 час. тицы тогда — число зарегистрированных частиц (число событий); — число импульсов источника (число испытаний), 20 где 0, — число нулевых исходов испытаний.

Число событий, необходимое для обеспечения заданной величийы относительной погрешности измерения S 9 25 однозначно определяется из следующих рассуждений.

Вероятность регистрации в отдельном испытании постоянна и равна 1 испытания прекращаются, как только gp число регистраций будет равно М . В этом случае число испытаний распре делено по закону Паскаля:

Р.„(") = С х-i (1- Р ) - Р (8) (x x-1)> (и-1), < =и)

4О

Распределение Паскаля имеет максимум в точке

Х 1+ и1 (10)

45 и в общем случае несимметрично (см. фиг. 1), Решение системы уравнений (Рн) Ж-Ри (Х1) 4 Р, (11) 50

Рн(X,) = РИ(X ), (12) х, р„(х,) = Р (X).

Х=1

Численными методами на ЭВМ мсжно определить границы доверительного интервала (X,, Х ) значений числа испы16 6 таний при, априорно известном диапазоне значений и К . Определяя границы доверительных интервалов значений X, соответствующих различным значениям и, можно для каждого случая расчитать ошибки измерения 3 9

Ро формуле.1 И-1

89 =макс -1- — In (1- ); A X,-1

1+ 1п (1- ) и построить зависимости (см. фиг. 2) Результаты вычислений показывают, что при фиксированном И величина

39 практически постоянная в заданном диапазоне значений h (0,01 — 1n 2) и не превышает своего максимального значения (при h =In2); Отсю да вытекает основной принцип работы устройства: при величине 9 + In 2, что соответствует вероятности регистрации Р < 0 5 схема должна считать число событий; при i! + In 2 схема должна считать число событий; при X > In 2 схема должна считать число

"нулевых событий". В таблице приведены значения 8 для Я =In 2 (P = 0,5) при разных значениях М при З (XÄX) = 0,99 °

Предлагаемое устройство (см.фит.4) содержит детектор 1, усилитель-формирователь 2, логическую схему И 3, логическую схему И-НЕ 4, счетчики импульсов 5,6, переключатель 7, (секции 7А, 7Б, 7В), вычислитель 8, логическую схему ИЛИ 9, логические схемы И-НЕ 10,11, триггеры 12, 13, логические схемы И 14, 15, 16, пусковой триггер 17, ключ 18 переноса данных, счетчик импульсов 19, кнопочные выключатели 20 и 21 (" Сброс" и "Пуск" ), линию задержки 22, усилитель-формирователь 23, ключевую схему 24, индикатор 25.

Элементы 9-17 образуют блок управления 26.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений после включения схемы при помощи кнопки 20

"Сброс" все три счетчика 5,6, 19 приводятся в исходное нулевое состоя7 1031316 8 н ие, при этом ключевая схема И 24, переключателя 7Б (см. фиг. 5,. з) закв канале счета импульсов первичного рывает логическую схему И-пЕ 4, прекисточника (на чертеже не показан) ращая подачу импульсов на вход счетзакрыта управляющим напряжением пус- чика, одновременно сигнал заполнения кового триггера 17 и, следовате".ьно, g поступает на входы логических схем закрыты логические схемы И 3 и И-НЕ ИЛИ 9 и. И 16. С выхода логической в канале счета импульсов детектора 1.. схемы 9 сигнал поступает на вход ло, Измерения начинаются нажатием гических схем И-НЕ 10 и 11. При этом кнопки "ПУСК" 21 (см. фиг. 5, а), при появляется сигнал на выходе логичесэтом перебрасывается триггер 17 - 10 кой схемы 10 (см. фиг. 5, и), который (см. фиг. 5, б), открывается ключе- перебрасывает триггер 12 (см. фиг.5,к), вая схема 24, и импульсы первичного после чего появляется сигнал на входе источника начинают поступать на логической схемы И 14. четчик 19 (см. фиг. 5, в). Импульсы Когда заполняется счетчик 5 а счетчик 19 поступают через линию fS (см. фиг. 5,д), сигнал с выхода Deадержки 22, усилитель-фоРмиРователь. Реключателя 7А (см. фиг. 5,ж), закры23 и ключеВУю схемУ 24. ЛиниЯ задерж вает логическую схему И 3. Подача ки вводится с целью компенсации вреимпульсов на вход счетчика импульсов мени пролета частиц нри пространствен5 прекращается . Одновременно сигнал ном разнесении первичного источника, облучаемого объекта (если это пре- 20 поступает на второй вход логической схемы И-НЕ 10 при этом триггер 12 дусматривается при проведении работ) и детектора. Тем самым уменьшается остается в прежнем состоянии. Теперь временной сдвиг импульсов на входах срабатывает логическая схема И 16 логических схем 3,4 и повышается ус,схемы 16 перебрасывает пусковой тригтойчивость работы устройства. Одновременно начинает работать канал счета 1гер 73 при этом закРывается ключевая схема 24, тем самым прекращается импульсов детектора. Если детектор подача импульсов на счетчик импульсов регистрирует приход частицы, импульс

19 и логические схемы И 3, И-НЕ 4,поспоступает через логическую схему И 3

30 поступает на входы логических схем на счетчик импульсов 5 (см. фиг. 5,д)

И 14, 15, открывая логическую схему если же после излучения очередного ! 14; с ее выхода на вычислитель 8 импульса первичного источника частица поступает сигнал выбора формулы для на детектор не приходит, импульс с вычислений; управляет состоянием клювыхода логической схемы И-НЕ 4 заночей переноса 18 счетчика импульсов сится в счетчик импульсов 6 (см.фиг.5, 19; в результате чего зафиксированТаким образом, счетчик импульсов 19 ное число испытаний )(вводится в ведет счет испытаний (Х), счетчик вычислитель 8. импульсов 5 регистрирует число событий, счетчик импульсов 6 - число ну-: левых исходов. Б соответствии с тре-. 40 РезУльтат вычислений по выбранной буемой величиной ошибки, рассчитан- формУле (6) индицируетсЯ с индикатоной по формулам (15) и (16) (см.фиг.2) емкость 1 счетчиков импульсов 5 и. 6 перед началом измерений устанавлива- Использование изобретения позволит ется с помощью переключателя 7. Одно-45 обеспечить оптимальное с точки зрения временно в.вычислитель 8 вводится ин- .получения заданной ошибки время изме-,. формация о величине И . Если вероят- рений (при этом величина ошибки не юстьнулевого исходаиспытаний I >0,5,, зависит от потока и достоверность первым заполняется счетчик импульсов результата соответствует расчетной);

6 (соответствует фиг. 5); при этом 50 добиться оптимальных затрат энергии случае вычислитель 8.(согласно фиг.2) .первичного источника при проведении должен произвести вычисления по фор- измерений; исключить этап статистимуле (6) и величина ошибки будет на- ческой обработки результатов измереходиться на участке кривой 6, = ний; сократить время на получение

K (й,N) ниже О цд„„ . При заполнении $$ результата путем автоматизации вычис. счетчика импульсов 6 сигнал с выхода лений1Рз з

Апис

EaE

Фиг 2 тИлоца 1

Фиг. г 1831316

1031316

Корректор С. Черни

Техред Л.Олейник

i åäàêòoð С. Титова

Заказ 5257/2

Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подпис ное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4