Устройство съема аналоговой информации с многоканальных детекторов ионизирующего излучения

 

УСТРОЙСТВО СЪЕМА АНАЛОГОВОЙ . ИНФОРМАЦИИ С МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ даНИЗИРУЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее в каждом из К каналов элемент накопления - конденсатор, первый ; ключ, усилитель, N элементов хранения - конденсаторов, N вторых ключей, а также общие для группы из К каналов |Я r. L Ir : .. , .... аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжение - код и блок управления ключами, причем элемент накопления и первый ключ соединены параллельно и одним концом присоединены к шине с нулевым потенциалом, а другим - к соответствующему входу устройства и к входу усилителя, каждый из N вторых ключей соединен последовательно с соответствующим элементом хранения,N концов вторых ключей соединены между собой и образуют общую точку вторых ключей, а К, N концов элементов хранения соединены между собой и образуют общую точку элементов хранения, К управляющих входов первых ключейи К,М управляющих входов вторых ключей сое (Л динены с соответствующими выходами блока управления ключами, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства при одновременном повышении его точности и чувствительности , в него введен общий для группы из К каналов третий ключ, присоединенный одним концом к общей точоо ке элементов хранения и к входу АЦП, 00 другим - к шине с нулевым потенциаli со со лом ,а управляющим входом - к дополнительному выходу блока управления ключами, кроме того, общая точка вторых ключей в каждом канале присоединена к выходу усилителя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

499 А (!9) () )) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3535306/18 — 25 (22) 11.01.83 (46) 15.04.85, Бюл. )) 14 (72) А.П.Кащук, В.И.Лазарев, В.И.Мурзин и Н.A.Òèìoôååâ (71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова (53) 539.0.17(088.8) (56) 1. J.Cuperus> R.Morgado ."A Multiwire Chamber $уз1.em for Heavy Jon

Beam Monitoring at the ВЕЧЕМ"," IEEE

Traus on Nucl. Sci. Vol. NS-22, Ф 3, 1975, р. 1561.

2. I.Lehrans and R.Mathewron ."Multiwire Proportional Chambers Used

and Analogue Mode for Beam Prof i l e and

Flux Measurements",Nucl. Vol. 97, И - 1 > 1971, р. 187.

3. S.Dhawau and Т.Lundlam,"Readout

Techniques for Jonisation /oss Zampling Detectors" IEEE Trans on Nucl.

Sci>Vol. NS-25, ) - 2, 1978, р.944 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО СЪЕМА АНАЛОГОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ С МНОГОКАНАЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ

ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее в каждом из К каналов элемент накопления — конденсатор, первый: ключ, усилитель, К элементов хранения †. конденсаторов, N вторых ключей, а также общие для группы из К каналов

4(5)) G 01 Т 1/ H 01 J 47 16 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжение — код и блок управления ключами, причем элемент накопления и первый ключ соединены параллельно и одним концом присоединены к шине с нулевым потенциалом, а другим — к соответствующему входу устройства и к входу усилителя, каждый из К вторых ключей соединен пбследовательно с соответствующим элементом хранения,К копцов вторых ключей соединены между собой и образуют общую точку вторых ключей, а К, Ц концов элементов хранения соединены между собой и образуют общую точку элементов хранения, К управляющих входов первых ключей и К,К управляющих входов вторых ключей соединены с соответствующими выходами ф блока управления ключами, о т л и — С ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства при одновременном повышении его точности и чувствительности, в него введен общий для

Оаиб группы из K каналов третин ключ, присоединенный одним концом к общей точке элементов хранения и к входу АЦП, другим — к шине с нулевым потенциа- 90 лом,а управляющим входом — к дополни- @ha тельному выходу блока управления CO ключами, кроме того, общая точка {© вторых ключей в каждом канале присоединена к выходу усилителя.

1ОНЯ < <И

Изобретение относится к ядерному приборостроению и может быть использовано н системах автоматизации съема аналоговой информации с многоканальных детекторов ионизирующего из- 5 лучения (например, многонитяных ионизационных и пропорционален>ьых, камер, камер вторичной эмиссии и др.), в частности в автоматизированных системах контроля пучков ускорителей.

Извес.тно устройство съема аналоговой информации с многонитяных пропорциональных камер, используемое в системе,мониторирования пучков, содержащее в каждом из K каналов конденсатор, а также общие для всех каналов « -входной аналоговый коммутатор, ключ и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжение — код, причем, конденсатор присоединен одним концом 20 к шине с нулевым потенциалом, а другим — к соответствующему входу устройства и к соответствующему входу

К-входового аналогового коммутатора, ключ одним концом присоединен к шине с нулевым потенциалом, а другим к выходу коммутатора и ко входу АЦП напряжение — код ()) .

Недостатком устройства является недостаточная точность и чувствитель-30 ность. Необходимое для повьпиения -<увствительности устройства уменьшение емкостей конденсаторов снижает точ— ность измерений, так как приводит к уменьшению постоянной времени хране- З ния зарядов. Кроме того, технологический разброс емкостей конденсаторов приводит к соответствующим неоднородностям масштаба преобразования в различных каналах устройства и для 4р повышения однородности измерений необходим предварительный отбор емкостей.

Известно устройство сьема аналоговой информации с многонитяных пропор45 циональных камер, содержащее в каждом канале соединенные последовательно усилитель. и АЦП напряжение — код, причем вход усилителя является входом устройства, а интегрирующая ей-

50 кость образована емкостью нити камеры и входной емкостью усилителя (2) .

В этом устройстве предусмотрена коррекция масштаба преобразования в каждом канале, которая выполняется регулировкой коэффициента передачи усилителя по напряжению. Однако уст ройство имеет недостаточную точность, так как смещение нуля усилителя, егс ра. брос и дрейф непоср»дственно входят в результат измерения. Кром» того, отсут<=тние элементов хранения аналоговой информации приводит к и»обходимости использования АЦП в. каждом канале, что в ряде случаев неоправданно усложняет устройство. !

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство съема аналоговой информации с многоканальных детекторов ионизирующего излучения, содержащее в каждом из каналов элемент накопления конденсатор, первый ключ, усилитель, аналоговый переключатель, Й вторых ключей, Й элементов хранения — конденсаторов, а также ЛЦП напряжение код и блок управления ключами, причем элемент накопления и первый ключ соединены параллельно друг другу и одним концом присоединены к шине с нулевым потенциалом, а другим — к входу устройства и входу усилителя, каждый из М вторых ключей соединен последовательно с соответствующим элементом хранения, << других концов элементов хранения присоединены к шине с нулевым потенциалом, а <1 других концов вторых ключей соединены между собой и через аналоговый переключатель присоединены к выходу усилителя и ко входу ЛЦП, выходы блока управления ключами соединены с управляющими входами первого ключа, вторых ключей и аналогового переключателя.

Многоканальное устройство содержит k таких каналов.

В этом устройстве элементы, реализующие функцию накопления и функцию хранения, разделены буферным усилителем, что позволяет повысить чувствительность устройства, уменьшая емкость конденсатора элемента накопления. Наличие << элементов хранения позволяет К раз осуществить выборку сигнала с высоким быстродействием.

Однако данное устройство является сложным, так как содержит относительно большое число аналоговых ключей, а также содержит АЦП в каждом канале. Для использования же одного

АЦП на группу из К каналов дополнительно потребуется введение К -входного аналогового коммутатора. При этом известное устройство имеет недостаточную точность. Это объясняется тем, 1088499 что н !пряжениь смещения нуля Ifа нь! ходе усилитeля, его ра зброс от канала к каналу и дреиф непосредственно

Входят в ре. 3yëhтат измерения.

Кроме того, если не принять специальные меры по балансировке нуля усилителей, то сужается динамический диапазон измерений. При этом также ограничивается коэффициент передачи усилителей по напряжению, а следова- 10 тельно, чувствительность устройства.

Цель изобретения — упрощение- уст- ройства при одновременном повышенйи его точности и чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, 15 что в известное устройство съема аналоговой информапии с многоканальных детекторов ионизирующего излучения, содержащее в каждом из h; каналов элемент накопления — конденсатор, пер20 вый ключ, усилитель, H элементов хранения — конденсаторов, N вторых ключей, а также общие для группы из k каналов АЦП напряжение — код и блок управления ключами, причем элемент

25 накопления и первый ключ соединены параллельно и одним концом присоединены к шине с нулевым потенциалом, а другим — к соответствующему входу устройства и к входу усилителя, каж- З0 дый из Й вторых ключей соединен последовательно с соответствующим элементом хранения, М концов вторых ключей соединены между собой и образуют общую точку вторых ключей, а К.К кдн-!5 цов элементов хранения соединены между собой и образуют общую точку элементов хранения, К управляющих входов первых ключей и k N управляющих вхо- . дов вторых ключей соединены с соот- 4о ветствующими выходами блока управления ключами, введен общий для группы из К каналов третий ключ, присоединенный одним концом к общей точке элементов хранения и к.входу АЦП, дру- 4> гим — к шине с нулевым потенциалом, а управляющим входом — к дополнительному выходу блока управления ключами, кроме того, общая точка вторых ключей в каждом канале присоединена к выходу N усилителя. Упрощение устройства произошло за счет исключения аналогового переключателя в каждом канале известного устройства, а также использованием общего АЦП для группы из К кана- ° 5 лов, без введения дополнительного " входного аналогового коммутатора.

Точность устройства повысилась за счет ис ключения нанряжени» < мещения нуля на выходе усилителя из результата измерения и уменьшения влияния его дрейфа. Вследствие этого также упрощены требования к балансировке нуля усилителей, повышена чувствительность устройства за счет увеличения коэффициента передачи усилителей по напряжению.

На чертеже представлена схема устройства съема аналоговой информации с многоканального детектора ионизируюпрего излучения.

Устройство состоит из К каналов 1, каждый из которых содержит элемент 2 накопления — первый конденсатор, первый ключ 3, усилитель 4, и вторых ключей 5 (на чертеже — Kn,1, Кп.2,..., К,й) и N элементов 6 хранения — вторых конденсаторов, а также из общих для k каналов третьего ключа 7, ЛЦП 8 напряжение — код, блока 9 управления ключами, шин 10, 11, 12 управления ключами, шин 13 ввода сигналч выборки и шин 14 ввода команд управления.

Входами устройства являются входы каналов 1, подключенные к источникам тока, например, непосредственно. к сигнальным электродам детектора, а выходом — цифровой выход АЦП 8 (на чертеже не показан). Первый конденсатор 2 и первый ключ 3 соединены параллельно и присоединены одним концом к шине с нулевым потенциалом, а другим— к входу соответствующего канала устройства и к входу усилителя. 4. Каждый из 1 вторых ключей 5 соединен последовательно с соответствующим вторым конденсатором 6. N концов вторых ключей 5 присоединены к выходу усилителя 4, а K. N концов вторых конденсаторов 6 присоединены к одному из концов третьего ключа 7 и ко входу АЦП 8.

Второй конец третьего ключа 7 присоединен к шине с нулевым потенциалом.

Управляющие входы первых ключей 3 одной шиной 10, управляющие входы вторых ключей 5 I(М шинами 11. и управляющий вход третьего ключа 7 одной шиной 12 соединены с соответствукщими выходами блока 9 управления ключами. Блок 9 управления ключами — это цифровое устройствд, обеспечивающее заданный порядок коммутации ключей, и его структура определяется алгоритмом работы ключей.

Блок 9 управления ключами содержи счетчик и электрически программируе1088 i99 мое ПЗУ с числом адресов равным К и +

+11+2 (число необходимых состояний устройства) и разрядностью k N +2 (чис— ло шин управления ключами). При этом можно выделить четыре состояния уст- 5 ройства: стирание (одно с..стояние все первые ключи 3, все вторые ключи

5 и третий ключ 7 замкнуты); хранение (одно состояние — все первые ключи 3 и третий ключ 7 замкнуты, а все вторые ключи 5 разомкнуты); запись (N— состояний — все первые ключи 3 разомкнуты, один из Н вторых ключей 5 в каждом канале 1 замкнут, третий ключ

7 замкнут); считывание (КН состояний-15 все первые ключи 3 замкнуты, один из

К в вторых ключей 5 замкнут, третий ключ 7 разомкнут).

Устройство работает следующим образом. 20

По команде "Стирание",, поступающей на блок 9 управления ключами по шинам 14, замыкаются все первые ключи

3, все вторые ключи 5 и третий ключ

7. При этом заряды на конденсаторах 2s элементов 2 накопления и элементов 6 хранения приводятся к некоторым исходным значениям.

Предполагаем, что в состоянии хранения, которое следует за стиранием, щ заряды на конденсаторах элементов б хранения не изменяются. Переход в состояние хранения осуществляется замыканием всех первых ключей 3, размыканием всех вторых ключей 5 и размыканием третьего ключа 7.

По команде "Запись 1, поступающей на блок 9 управления ключами по шинам 14, и сопровождающейся сигналом выборки на шине 13, размыкаются все. 4р первые ключи 3, замыкается третий ключ 7, а в каждом канале 1 замыкается один и только один из Й вторых ключей 5.

При этом конденсаторы всех элемеи- 4> тов 2 накопления заряжаются в течение заданного времени выборки от источников тока, действующих на входах устройства. Напряжения усиливаются усилителями 4 и через один из замкнутых в каждом канале 1 вторых ключей 5, например Кл.1, поступают на соответствующие конденсаторы элементов 6 хранения. При этом напряжение U12 на этих конденсаторах к моменту окончания выборки, будет равняться

I нт см 1с t:tp где 0 — напряжение смещения нуля ! на выходе yctts » еля, соответствующее моменту записи информации;

К с — коэффициент передачи усилителя по напряжению; (1с1 — напряжение на входе усили теля (первом конденсаторе).

По окончании выборки устройство снова переходит в режим хранения, при котором элементы 2 накопления шунти— руются первыми ключами 3 и разряжаются, один из элементов 6 хранения в ! каждом канале 1 сохраняет заряд, приобретенный в процессе выборки, в то время как остальные элементы 6 хранения сохраняют исходные заряды. Так как в каждом канале имеется N элементов б хранения, то процесс выборки можно продолжать еще (l1-1) раз,подключая каждый раз к выходу усилителя 4 следующие элементы хранения.

Считывание информации осуществляется по команде "считывание", поступающей на блок 9 управления ключами по шинам 14. При этом размыкается третий ключ 7 и синхронно с ним замыкается один и только один из К К вторых ключей 5, например, Кл.1. Напряжение, имеющееся на соответствующем конденсаторе элемента 6 хранения, поступает на вход АЦП 8 напряжение— код, причем в обратной полярности по отношению к напряжению смещения нуля на выходе усилителя. Это напряжение

О» равняется:

2" н где 0 — напряжение смещения нуля см на выходе усилителя, соответствующее моменту считывания информации;

С» — параэитная емкость нагрузки (на чертеже показана пунктиром);

С вЂ” емкость конденсатора эле2 мента хранения (второго конденсатора); причем предполагается, что С2 существенно больше С1, и последней можно пренебречь.

По окончании преобразования напряжения U в цифровой эквивалент, которое выполняется в АПП 8, устройство переходит в состояние хранения. В этом состоянии третий ключ 7 шунтиру- ет и разряжает емкость Ctt до нуля.,10884Ч9 (,ни !,)!Ва!!ие ив< )()рмап!!н мож(!о ав !!1о! и но !!родо!!ж!г! !, »!!!е (!! N — 1 ра !, подкл!оча

Иэ !!р!!в»денного ныш» выражения (2) 5 следует, что в предлагаемом устройст1 !1

lIpн ll + = Oq + =< coI1s t измеряемое !!а!!ряж»ши н» зависит от величины напряжения смещения нуля на выходе усилителя. Если 11<+ медленно изменяется во времени, то разность напряжений (u",ö — u ) обра.зует погрешность, вносимую в результат измерения дрейфом (1,ц. В указанном прототипе измеряется напряжение, соответствующее выражению 15 (1), в которое rl,„ и его дрейф входят полностью, Таким образом, в настоящем устройстве наря,:,у с упрощением по отношению к прототипу влияние дрейфа L! на результат измерения умень- _#_ шено как минимум на порядок величины..

Заметим также, что величина 1! !, как правило, зависит от коэффициента передачи усилителя по напряжению. При реализации устройства вполне допустимым смеЩением нуля на выходе усилителей можно считать, например, + (1-2) В, и это не приведет к уменьшению динамического диапазона измерений, выполняемых АЦП. Этим можно воспользоваться Zp и без введения средств балансировки нуля усилителей получить в схеме дополнительное усиление по направлению, например 10 и более, что соответствен»о повысит чувствительность устройст-З5 ва.

Для испытаний устройства изготовлен блок, содержащий 32 канала (K=32, 1=1). Блок предназначен для построе- 4О ния систем .диагностики пучков ускорителей. В принципиальной электрической схеме блока использованы элемент накопления — конденсатор KM-5Б-1300 пФ 10%; элемент хранения — конденса- 4 не хуже 0,03 / С, о тор КМ-58-3600 пФМ 0 ; первый ключ транзистор КТ363Б н инверсном включе. нии, резистор и интегральный ключ

К143КТ1; второй ключ — транзистор

КТ326БМ в нормальном включении, резистор и интегральный ключ К143КТ1; усилитель — операционный усиЛитель

К140УД8А, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению через резисторы (при этом К10 с регулировкой усиления в пределах 425 ); третий ключ — два транзистора КТ316В, транзистор КТ351Б, диод КД503А и три резистора; АЦП напряжение — время — код (9 двоичных разрядов); блок управления ключами — счетчик К155ИЕ5, триггер К155ТМ2 логические элементы

К155ЛР1 и К155ЛН 1; а также электрически программируемое ПЗУ К155РЕ3.

При чувствительности устройства

1,0 п К вЂ” цена младшего разряда AUII получены следующие метрологические характеристики: неоднородность масштаба преоб- не более +0 2 э э разования нестабильность масштаба преобразования интегральная нелинейность — не более !:0,1%; нестабильность нуля преобрао зования не хуже 0,01 / С.

Устройство выгодно отличается от известных аналогов и прототипа по своим метрологическим характеристикам, менее критично к раэбросу параметров компонентов (в частности, к технологическому разбросу емкостей элементов накопления и хранения и разбалансу нуля усилителей), вследствие чего является более технологичным в изготовлении и настройке, что обеспечивает устройству широкую chepy применения.

10884ЧЧ

8хп

2778/1 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ 1 осударстненного комитета СССР пс делам ивобретений и открытий

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

Заказ

Фипиап ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4

Составитель М.Данилов

Редактор С.Титова Техред М.Пароцай Корректор И.Куска