Метод совпадений

Цель работы – ознакомление с характеристиками схемы совпадений; изучение особенностей метода совпадений и способов выбора характеристик схемы совпадений в реальном эксперименте.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Определение временных соотношений изучаемых событий – один из важнейших методов исследования ядерных процессов. Простейшим случаем временного анализа является отбор совпадающих во времени событий, осуществляемый с помощью схем совпадений. На входы схемы совпадений подаются импульсы от детекторов излучения (часто эти импульсы предварительно усиливаются и, как правило, формируются); выходной сигнал возникает только в том случае, когда импульсы от детекторов излучения поступают на все входы схемы одно-временно. Схема совпадений может иметь два входа (тогда она называется схемой двойных или двукратных совпадений), три входа (схема тройных или трехкратных совпадений) и т.д. Таким образом, у "обычных" схем совпадений кратность совпадений равна числу входов. Особый класс схем совпадений составляют так называемые "мажоритарные" схемы совпадений, кратность совпадений которых обычно меньше числа входов.

С помощью схемы совпадений можно обнаружить и выделить частицы, образовавшиеся в результате определенной ядерной реакции, изучить угловое распределение частиц, определить абсолютную активность источника, измерить эффективность детектора и т.д. В одних экспериментах схемы совпадений отбирают и регистрируют изучаемые события; в других – применяются в качестве вспомогательных схем, например, для управления работой искровых камер, для улучшения характеристик гамма-спектрометров.

Одним из часто встречающихся случаев применения метода совпадений в физическом эксперименте является выделение частиц, летящих в определенном направлении, точнее в некотором небольшом телесном угле ω. Установка, служащая этой цели и называемая обычно телескопом, состоит (рис. 1) из детекторов Д1 и Д2, расположенных на прямой на некотором расстоянии друг от друга.

Рис.1

Сигналы от детекторов поступают на соответствующие входы схемы совпадений, которая и выделяет только те случаи, когда частица, летящая в пределах телесного угла ω, регистрируется обоими детекторами. Именно такая установка, состоящая из двух групп (ковров) счетчиков Гейгера – Мюллера, и используется в настоящей работе для изучения метода совпадений.

Практическое использование схем совпадений связано с определенными трудностями методического характера. Четкое представление об этих трудностях и о путях их преодоления необходимо для правильной постановки и интерпретации физических экспериментов. Одна из таких трудностей связана с относительностью понятия одновременности.

Момент появления сигнала с детектора на соответствующем входе схемы совпадения зависит, в основном, от:

геометрии установки и связанной с этим неодновременности пролета частицы через детекторы t_геом;

задержки срабатывания детекторов t_д, величина которой, в зависимости от типа детектора, может составлять от ~10^-9 до ~10^-6 с;

задержки электронных узлов и соединительных кабелей t_эл.

Таким образом, целый ряд факторов приводит к тому, что между моментом образования интересующей нас частицы (или моментом попадания ее в детектор) и моментом срабатывания соответствующей электронной аппаратуры проходит некоторое время t_зад, определенное следующим образом:

t_{з =} t_геом + t_д + t_эл.

Относительный вклад отдельных компонент t_з может сильно различаться. Например, для счетчика Гейгера – Мюллера t_з определяется, в основном, разбросом моментов срабатывания самого детектора, который может достигать нескольких десятых долей микросекунды; другими компонентами задержки в этом случае можно пренебречь ввиду их малости. В сцинтилляционных детекторах, входные импульсы которых обычно имеют широкий амплитудный спектр, максимальная величина t_з определяется, в основном, длительностью фронта выходного импульса, которая достигает величины порядка 10^-8 с для органических и 10^-7 с для неорганических сцинтилляторов; в точных временных измерениях начинает сказываться пролетное время электронов в фотоумножителе и его флуктуации (10^-9 с и меньше).

Поскольку время t_з представляет собой случайную величину, его конкретное значение для каждого акта регистрации не может быть предугадано, и можно говорить только о законе распределения интервалов t_з в вероятностном смысле. Распределение суммарной задержки P(t_з) характеризуется средним значением

t_{з =} t_геом + t_д + t_эл

и среднеквадратичной флуктуацией

σ_{з = ,}

которые в общем случае зависят от рода регистрируемого излучения, типа примененного детектора и других характеристик экспериментальной установки. Очевидно, что среднее значение задержки t_з можно измерить и учесть при обработке результатов измерений, разброс же значений t_з, характери-зуемый величиной σ_з, вносит в измерения некоторую неустранимую неоднозначность и определяет, таким образом, погрешность временных измерений.

Рассмотрим влияние вышеописанных факторов на работу схемы двойных совпадений. Прежде всего, "несимметричность" экспериментальной установки (разные расстояния от источника до детекторов, разные детекторы, отличия в усилителях или формирователях, стоящих в каналах совпадений) может привести к тому, что распределения t_з в каналах совпадений будут смещены относительно друг друга, например, как это показано на рис. 2. В этом случае импульсы на выходах детекторов совпадать не будут.

Для совмещения распределения t_з, в один из каналов совпадений включают линию задержки с временем задержки t_з = t_з2 - t_з1. Время задержки t_з подбирают экспериментально по максимуму счета совпадений. Совмещение центров распределений не устраняет, однако, случайности в появлении того или иного значения t_з при каждом конкретном акте регистрации. Даже в случае строго одновременного рождения двух регистрируемых частиц, импульсы на входах схемы совпадений появляются не одновременно, а с некоторым случайным временным сдвигом, определяемым величиной σ_з. Поэтому перед схемой совпадений, строго говоря, ставится задача регистрации не точно совпадающих импульсов, а импульсов, разделенных интервалом времени t, конкретное значение которого никогда заранее не известно, а максимально возможное значение определяется σ_з.

Рис.2

Практически любая схема совпадений обладает конечным временем разрешения τ_с, т.е. регистрирует наряду с совпадающими событиями и события, разделенные интервалами времени t ≤ τ_с. Для большинства схем совпадений значение времени разрешения совпадает в первом приближении с длительностью сформированных входных импульсов. Действительно, импульс на выходе схемы совпадений (импульс, совпадения) образуется, если входные импульсы хоть немного перекрываются, т.е. если интервал времени t между ними не превышает их длительности (рис.с. 3) Это дает возможность, изменяя длительность вход-ных импульсов, регулировать время разрешения схемы совпадений, которое, как было показано выше, должно выбираться с учетом ширины кривых P(t_з).

Рис.3

Однако конечное время разрешения схемы совпадений приводит к нежелательному явлению – появлению так называемых случайных совпадений.

Каждый детектор, подсоединенный к схеме совпадений, регистрирует, кроме выделяемых частиц, еще и большое количество фоновых частиц, не имеющих прямого отношения к исследуемому явлению. Поскольку прохождение частиц через детектор – явление случайное, которое может произойти в любой момент времени, всегда имеется определенная вероятность того, что две частицы, физически не связанные друг с другом, попадут в детекторы, подсоединенные к схеме совпадений, в течение интервала времени τ_с, а это приведет к появлению импульса совпадения. Кроме того, импульсы на входе схемы совпадения могут быть вызваны шумами, как детектора, так и последующими электронными узлами (усилителями, формирователями). Импульс случайного совпадения на выходе схемы ничем не отличается от импульсов истинных совпадений и не может быть отделен от них. Поэтому при постановке любого эксперимента с применением схемы совпадений следует, прежде всего, оценить число случайных совпадений по сравнению с числом импульсов эффекта, так как может оказаться, что среди зарегистрированных импульсов совпадений большая часть принадлежит случайным совпадениям. В этом случае полученные результаты не будут отражать действительность.

Легко показать, что при пуассоновских потоках сигналов от детекторов для схемы двойных совпадений с временем разрешения τ_с среднее число случайных совпадений в единицу времени n_сл.с = 2n₁n₂τ_с, где n₁ и n₂ – средние частоты статистически распределенных импульсов на первом и втором входах схемы совпадений.

Полученная формула дает возможность оценить число случайных совпадений, если измерены загрузки входов схемы совпадений n₁ и n₂ и ее время разрешения τ_с.

Наличие случайных совпадений – существенная особенность метода совпадений, ограничивающая его применение. Любые способы оценки τ_с дают только приближенные значения этой величины, истинная же доля случайных совпадений в каждом конкретном измерении остается неопределенной. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению числа случайных совпадений так, чтобы по возможности выполнялось условие n_сл.с << n_ист.с, где n_ист.с – число истинных совпадений.

Наиболее универсальным и первоочередным способом снижения фона случайных совпадений является уменьшение времени разрешения схемы совпадений τ_с, поэтому придается большое значение разработке схем совпадений, обладающих высоким разрешением. Однако, как было показано выше, минимально возможная величина τ_с определяется шириной кривой распределения P(t_зад). Отсюда следует, что необходимое условие применения схемы совпадений – точное определение и правильный выбор времени разрешения схемы τ_с.

В тех случаях, когда на входы узла отбора совпадений поступают хорошо сформированные импульсы одинаковой длительности с постоянной амплитудой, измерить время разрешения схемы нетрудно. Достаточно подсоединить к схеме совпадений двухканальный генератор импульсов и увеличивать временной сдвиг между импульсами до тех пор, пока не прекратится счет совпадений. Максимальный интервал между импульсами, еще регистрируемыми схемой совпадений как совпадающие, и будет соответствовать времени разрешения.

Наиболее универсальным способом исследования установки для счета совпадений, позволяющим не только определить значение времени разрешения, но правильно выбрать его величину, является снятие кривой задержанных совпадений.

Для этого в один из каналов схемы совпадений вводят калиброванную регулируемую линию задержки и определяют зависимость числа совпадений от величины задержки t_з. Естественно, эти измерения нужно проводить в условиях реального эксперимента.

На рис. 4 изображены кривые задержанных совпадений F(t_з/σ_з) в предположении, что распределение P(Δt_з) подчинено нормальному закону с параметром σ_з при разных значениях τ_с /σ_з.

Рис.4

Из рисунка видно, что ширина кривых на половине высоты максимума совпадает с удвоенным временем разрешения схемы совпадений τ_с (при τ_с/σ_з >>1, в практике – наиболее часто используемый случай), характер кривых зависит от соотношения между τ_с и σ_з. Действительно, если τ_с выбрано приблизительно равным ширине распределения P(Δt_з) (τ_с = 4σ_з, кривая 1 на рис.4), то при нулевой задержке будут считаться практически все совпадения, но даже небольшая задержка t_з в одном из каналов приведет к уменьшению числа совпадений, так как импульсы, соответствующие "хвостам" кривых P(t_з), окажутся разделенными интервалами, большими τ_с, и перестанут регистрироваться схемой совпадений. Если τ_с < 4σ_з (кривая 2 на рис.4), то даже при нулевой задержке в канале часть импульсов совпадений, соответствующих крыльям распределения P(t_з), не будет регистрироваться и высота кривой станет меньше единицы – уменьшается значение эффективности схемы совпадений. При τ_с << σ_з ширина кривой приближается к 2,36σ_з и практически не зависит от τ_с, эффективность F становится очень малой, а при τ_с → 0 и F → 0. Действительно, если удалось сконструировать схему совпадений с нулевым временем разрешения, она не зарегистрировала бы ни одного события, ибо вероятность точного совпадения во времени двух физических событий равна нулю. Таким образом, приходим к выводу, что время разрешения схемы совпадений должно быть конечным и, для большинства физических экспериментов достаточно выполнения условия τ_с ≥ (3-4)σ_з.

Увеличение времени разрешения (τ_с >> σ_з, кривая 3 на рис.4), на первый взгляд, не ухудшает параметров схемы совпадений. Во всяком случае, эффективность схемы совпадений не ухудшается. Увеличение τ_с приводит к росту числа случайных совпадений, следовательно, значение времени разрешения τ_с ≈ (3-4)σ_з является оптимальным. Иногда даже выбирают τ_с несколько меньшим, чем 4 σ_з, так как при небольшом уменьшении τ_с скорость счета случайных совпадений падает быстрее, чем эффективность схемы совпадений (при τ_с = σ_з, F(t_з = 0) = 0,52, а число случайных совпадений, пропорциональное τ_с, уменьшается в четыре раза). При необходимости регистрации событий с очень высокой эффективностью (например, при регистрации космического γ-излучения эффективность антисовпадательных детекторов должна быть ~99,9999%) время разрешения τ_с устанавливается больше, чем 4σ_з, чтобы обеспечить регистрацию событий на хвостах распределения P(t_з) (конкретное значение τ_с зависит от вида распределения P(t_з)).

Кривые задержанных совпадений позволяют не только определить и выбрать значение τ_с, но и оценить число случайных совпадений. Поскольку случайные совпадения возникают при совпадении импульсов, не коррелированных во времени, число случайных совпадений не зависит от наличия и величины задержки t_з в каналах. Поэтому реальная кривая задержанных совпадений оказывается приподнятой над осью абсцисс на величину, равную числу случайных совпадений.

Таким образом, определить скорость счета случайных совпадений в реальном эксперименте можно либо по кривой задержанных совпадений, либо просто измерив число совпадений при введенной в один из каналов задержке t_з >> 4τ_с. В экспериментах, требующих особо точного измерения фона случайных совпадений, используются специальные установки, позволяющие измерять фон случайных совпадений одновременно с измерением эффекта, что исключает погрешности, связанные с возможной нестабильностью времени разрешения.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка (рис.5) состоит из электронного блока, телескопа из двух слоев счетчиков Гейгера-Мюллера (по три параллельно включенных счетчика в каждом слое), счетчика импульсов (СУ), осциллографа, источника питания схемы совпадений и источника высокого напряжения, необходимого для питания газоразрядных счетчиков телескопа. Для увеличения фонового излучения применяется β-источник стронция-90.

Рис.5

В блок электроники входят следующие узлы:

узел отбора двойных совпадений СС, построенный на основе диодной схемы совпадений с формирователями Ф1 и Ф2 на входах и амплитудным дискриминатором ДФ, формирующим выходные импульсы стандартной формы, на выходе;

предварительные формирователи ПФ1 и ПФ2, используемые для формирования импульсов от счетчиков Гейгера-Мюллера с узлами регулируемых задержек ЛЗ1 и ЛЗ2;

вспомогательный генератор, служащий для изучения работы схемы совпадений.

Интервал времени между импульсами на выходах генератора регулируется потенциометром "Сдвиг импульса" в диапазоне нескольких микросекунд. На выходе генератора "Синхронизация" вырабатывается положительный импульс для запуска развертки осциллографа.

Время задержки узла задержки можно изменять от 0 до 2 мкс. Импульсы формирователей Ф1 и Ф2 имеют одинаковую длительность Т, регулируемую в пределах от 0,2 до 2,0 мкс. Изменением длительности Т меняется время разрешения совпадений. Уровень дискриминации по амплитуде выходных импульсов схемы совпадений выбран так, чтобы импульсы несовпадений надежно подавлялись, а импульсы совпадений пропускались дискриминатором.

3. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1. Изучение электрических параметров схемы совпадения

3.1.1. Включить осциллограф и питание электронного блока, включить вспомогательный генератор. Запустить развертку (в режиме “Внешняя развертка”) осциллографа от генератора. Включить счетное устройство, установить режим регистрации положительных импульсов.

3.1.2. Нарисовать временные диаграммы (с указанием временного и амплитудного масштабов) на входах узла совпадений, выходе узла совпадений и выходе дискриминатора при длительности импульсов на входах узла совпадений Т = 1,0 мкс для трех режимов: импульсы не совпадают, импульсы совпадают полностью, импульсы совпадают частично.

3.1.3. Пользуясь осциллографом, приближенно оценить время разрешения τ_с схемы совпадений (как максимальный интервал между передними фронтами импульсов, при котором импульсы регистрируются еще как совпадающие) для T = 2,0; 1,0; 0,7; 0,4 и 0,2 мкс. Сравнить полученные значения τ_с с длительностью импульсов.

3.1.4. Подключить к выходу дискриминатора счетное устройство. Время измерения установить 1 с. Для длительности импульсов 1 мкс снять кривую задержанных совпадений, т.е. зависимость числа импульсов от задержки между входными импульсами схемы совпадений (задержку между импульсами измерять с помощью осциллографа).

3.2. Изучение физических характеристик

схемы совпадений в эксперименте по регистрации направленного космического излучения при большом фоновом излучении методом телескопа

3.2.1. Выключить вспомогательный генератор импульсов. Включить питание счетчиков Гейгера – Мюллера. Выход дискриминатора узла отбора совпадений соединить со входом счетного прибора. Убедиться в том, что β-источник, создающий повышенный фон, находится в соответствующем гнезде.

3.2.2. Измерить кривую задержанных совпадений (т.е. зависимость числа совпадений N_с от задержки между входными импульсами), введя сначала в один, а затем в другой канал совпадений задержку и изменяя величину задержки в каждом канале от нуля до максимальной величины. Время измерения каждой точки – 100 с. Разрешающее время схемы совпадений (длительность импульсов формирователей) установить 1 мкс. По кривой задержанных совпадений определить: время разрешения схемы совпадений τ_с, число случайных совпадений для данного τ_с. Сравнить кривые задержанных совпадений, полученные в этих измерениях и в п. 3.1.4.

3.2.3. Повторить измерения, проведенные в п. 3.2.2, для значений Т = 2,0, Т= 0,2 и Т = 0,4 мкс. Нанести все кривые задержанных совпадений на один график. Сравнить форму кривых; проанализировать зависимости эффективности схемы совпадений и интенсивности случайных совпадений от времени разрешения.

3.2.4. Провести измерение зависимости числа совпадений N_с от времени разрешения схемы совпадений τ_с. Время измерения каждой точки – 100 с. Построить график N_с(τ_с), отметив для каждой точки величину статистической погрешности.

3.2.5. Рассчитать число случайных совпадений N_сл.с, измерив среднюю частоту импульсов на каждом входе узла совпадений при Т = 2 мкс. Нанести на график предыдущего пункта графики, N_сл.с(τ_с), и N_ист.с(τ_с). Определить оптимальное значение τ_с, при котором эффективность схемы совпадений приближается к 100% (кривая N_ист.с(τ_с) выходит на плато), а число случайных совпадений не слишком велико.

3.2.6. Рассчитать интенсивность космических лучей, регистрируемых телескопом, на единицу площади (в единицах дм^-2·с^-1).

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Краткое описание и схему установки.

3. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы совпадений.

4. Кривая задержанных совпадений при регистрации импульсов от генератора.

5. Кривые задержанных совпадений (на одном графике), полученные при регистрации космического и фонового излучения.

6. Зависимости N_с(τ_с), N_сл.с(τ_с), и N_ист.с(τ_с) на одном графике.

7. Формулу расчета и результаты оценки интенсивности космического излучения.

В заключение отчета объясните отличие кривых задержанных совпадений, полученных с одной и той же схемой совпадения при регистрации импульсов от генератора и от детекторов, а также объясните, с чем связано уменьшение счета (в зависимостях N_с(τ_с) и N_ист.с(τ_с)) при малых значениях разрешающего времени.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

I. Теоретическая часть . . . . . 3

II. Описание установки . . . . . 13

III. Рабочее задание . . . . . 14

3.1. Изучение электрических параметров

схемы совпадения . . . . . . 14

3.2. Изучение физических характеристик

схемы совпадений в эксперименте

по регистрации направленного космического

излучения при большом фоновом

излучении методом телескопа . . . . 15

IV. Оформление отчета . . . . . 17