Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 7
1.1. Интегральный метод и особенности постановки экспериментов на выведенных нейтронных пучках реактора 7
1.2. Экспериментальные установки для измерения Р-нечетных эффектов в реакциях захвата поляризованных нейтронов
с вылетом заряженных частиц или у-квантов 12
1.3. Процедура измерений 17
1.4. Различные методы построения системы компенсации флуктуации мощности реактора 20
1.4.1. Программно-аналоговый метод компенсации 20
1.4.2. "Математический" способ компенсации флуктуации мощности реактора , 24
1.4.3. Экспериментальное сравнение способов компенсации флуктуации мощности реактора 28
Глава 2.
Аппаратура и детекторы излучений, используемые для новых экспериментов по изучению Р-нечетной асимметрии 31
2.1. Система регистрации токовых сигналов для экспериментов в ИЛЛ 31
2.2. Использование многофункциональных плат, встраиваемых в компьютер, для регистрации непрерывных токовых сигналов и управления экспериментом 33
2.3. Детекторы у-квантов 37
2.4. Испытания детекторов у-излучения и измерения Р-нечетной асимметрии вылета у-квантов в реакции В(п,а)7Li => Li + у 42
2.5. Ионизационная камера для регистрации заряженных частиц 44
2.6. Испытание системы управления и сбора информации 53
2.7. Измерения Р-нечетной асимметрии вылета тритонов в реакции 6U{n,af Н с помощью ионизационной камеры и сравнение погрешности измерений для камеры с погрешностью измерений для детекторов у-квантов 53
Глава 3
Цифровые сигнальные процессоры и примеры их использования в научных исследованиях 69
Глава 4.
Метод регистрации токовых сигналов на реакторе при частотах переключения регистрирующей аппаратуры выше частот основного спектра мощности нейтронного шума реактора 79
4.1. Особенности работы на реакторах нейтронов с применением интегральной методики 79
4.2. Принципы построения измерительного тракта при повышенных частотах переключения знака эффекта 80
4.3. Система регистрации и сбора информации
4.4. Измерения
Заключение 92
Литература 95
- Экспериментальные установки для измерения Р-нечетных эффектов в реакциях захвата поляризованных нейтронов
- Экспериментальное сравнение способов компенсации флуктуации мощности реактора
- Использование многофункциональных плат, встраиваемых в компьютер, для регистрации непрерывных токовых сигналов и управления экспериментом
- Принципы построения измерительного тракта при повышенных частотах переключения знака эффекта
Введение к работе
Целью настоящей работы является описание методики, аппаратуры и программного обеспечения для экспериментов, посвященных исследованию эффектов несохранения пространственной четности в ядерных реакциях при захвате тепловых поляризованных нейтронов ядрами.
В результате работ нескольких групп экспериментаторов в 1964 году Ю.Г.Абовым с сотрудниками с помощью счетной методики измерений была наблюдена Р-нечетная асимметрия вылета у-квантов при захвате Cd теплового поляризованного нейтрона [1].
Группа В.М. Лобашева наблюдала циркулярную поляризацию у-квантов в неполяризованном ядре Lu с помощью интегральной методики измерений [2], что окончательно доказало существование слабого взаимодействия в ядерных у-переходах.
К настоящему времени круг исследуемых объектов значительно расширился. Продолжался поиск новых Р-нечетных эффектов, и здесь были достигнуты большие успехи.
Что касается изучения Р-нечетных взаимодействий ядер с тепловыми поляризованными нейтронами, то новые экспериментальные данные в значительной мере получены в работах ПИЯФ РАН.
Обнаружены; зависимость полных и радиационных сечений от спиральности нейтронов в ll7Sn, !39La,79Br[\4]', несохранение Р-четности в интегральных спектрах у-квантов на различных ядрах [5, несохранение Р-четности в (п,р)-релкщш [7];
Р-четная лево-правая асимметрия при делении ядер, позволившая обосновать модель нарушения четности [8].
Исследована Р-нечетная асимметрия вылета ct-частиц в реакциях 7Л/(и,а)}//, 10 В(п, a)1 Li, м N(n, р)иС на поляризованных нейтронах [7,9, 10].
Столь широкое исследование эффектов нарушения пространстиенной четности в ядерных системах было бы невозможно без применения интегральной методики регистрации событий, предложенной в [11].
Большая часть экспериментов проделана на реакторах нейтронов.
Относительные флуктуации мощности реактора лежат на уровне —10" , что на порядок и больше превосходит относительные статистические флуктуации нейтронного потока. Для успешного проведения эксперимента необходимо уменьшить влияние флуктуации мощности реактора, т.е. необходимо проводить их компенсацию для получения минимальной статистической погрешности измерений.
В работах [12, 13] компенсация флуктуации мощности реактора проводилась при вычитании двух сигналов, имеющих разный знак наблюдаемого эффекта, электронным способом, с использованием для получения минимальной погрешности коэффициента корреляции суммы входных сигналов и разности этих сигналов. При этом в разностном сигнале эффекты складываются, а синхронные шумы вычитаются.
В работе [14], выносимой на защиту, была впервые реализована новая система компенсации синхронных шумов "математическим" методом при совместной обработке результатов серии измерений, и было экспериментально показано, что подобная система компенсации флуктуации мощности реактора дает погрешность измерений, по крайней мере, не хуже, чем электронная. Упрощение аппаратуры за счет ненужности устройства для определения коэффициента корреляции привело к увеличению надежности измерений.
При попытке наблюдать эффекты на уровне ~ (2 - 5)-10' в условиях ограниченного экспериментального времени (это связано с работой на пучке реактора института Лауэ-Ланжевена (ИЛЛ), Гренобль, Франция) появилась необходимость построения более совершенной аппаратуры, обеспечивающей надежную работу в течение всего времени эксплуатации физической установки.
На основе многофункциональных, встраиваемых в компьютер, плат сбора данных и управления была создана система [15], используемая для наблюдения Р-нечетных эффектов в реакциях с легкими ядрами для получения точности эксперимента на уровне ~ 2 - 5-Ю"8. Эта система позволила отказаться от применения стандарта "САМАС". В настоящее время с использованием этой системы была получена точность измерений [16, 17] в нулевых экспериментах реакций 1Ц(п,а)3Н и ]6В(п,а)7Ы* => 7Ы + у на уровне 10', что полностью удовлетворяет требованиям поставленной физической задачи.
Применение в детекторах у-излучения кремниевых фотодиодов [18] и, в связи с этим, большое усиление сигнала приводило к возникновению в предусилителях сигналов каналов регистрации дополнительного низкочастотного шума за счет "микрофонного" эффекта, который невозможно было устранить обычной системой компенсации флуктуации мощности реактора.
С целью избежать влияния этого эффекта была впервые разработана новая методика и аппаратура [19, 20], с применением цифрового сигнального процессора для регистрации сигналов, позволяющая работать на частотах переключения спина нейтрона выше частот основного спектра мощности нейтронного шума реактора.
Испытания, проведенные на пучке нейтронов реактора ИЛЛ (Гренобль, Франция), показали, что при частоте переключения спина нейтрона - 10 Гц, связь между каналами за счет флуктуации мощности реактора полностью теряется, каналы при этой частоте становятся независимыми и флуктуации мощности реактора практически не дают вклад в погрешность измерений каждого канала. Шумы за счет "микрофонного" эффекта, по большей части, остаются ниже частоты переключений аппаратуры и также не дают вклад в погрешность измерений. Погрешность измерений уменьшилась по сравнению с применением аппаратуры, работающей при частоте переключения ~- 1 Гц. При таком методе измерений можно работать с одним детектором.
Данная диссертация посвящена обсуждению вышеуказанных методик в экспериментах по изучению Р-нечетных эффектов в реакциях ядер с тепловыми поляризованными нейтронами.
Структура диссертации следующая:
В первой главе описаны интегральный метод регистрации событий и особенности методики постановки экспериментов по измерению Р-нечетных эффектов в ядерных реакциях с поляризованными нейтронами на реакторе при временах переключений регистрирующей аппаратуры порядка секунд.
Во второй главе описана аппаратура с использованием многофункциональных встраиваемых в компьютер плат сбора данных и управления, подготовленная для экспериментов по наблюдению Р-нечетных эффектов в реакциях нейтронов с ядрами лития и бора, а также характеристики применяемых детекторов, и приведены результаты испытаний детекторов и погрешности измерений интегрального метода в реальных экспериментах.
В третьей главе приводятся сведения и практические примеры использования цифровых сигнальных процессоров в системах регистрации и управления экспериментом. В четвертой главе описаны метод и макет установки для измерений Р-нечетных эффектов при частотах переключения регистрирующей аппаратуры выше частот основного спектра мощности нейтронного шума реактора. Приведены результаты испытаний метода.
В заключении изложены основные результаты и выводы работы.
Экспериментальные установки для измерения Р-нечетных эффектов в реакциях захвата поляризованных нейтронов
В экспериментах по изучению Р-нечетных эффектов вычисляется всегда относительное изменение числа событий при изменении некоторых параметров экспериментальной установки. Например, эффект а Р-нечетной асимметрии вылета частиц или у-квантов определяется как где N+ и Л/, -число отсчетов детектора, когда импульс частицы параллелен спину нейтрона и импульс частицы антипараллелен спину нейтрона, соответственно. Так как попытка увеличивать интенсивность счета в единицу времени приводит к эффектам наложения и просчета импульсов, то любая система детекторов обладает мертвым временем t, если речь идет о счете импульсов. Если система имеет мертвое время непродлевающегося типа, то число зарегистрированных импульсов п при малых загрузках л = и0/(1+я0 ). где «„- число попаданий частиц в детектор (считаем, что эффективность детектора е = 1), Это означает, что при достижении больших скоростей счета, число отсчетов приближается к своему предельному значению «max=l/f. В случае продлевающегося мертвого времени, либо более сложного типа мертвого времени, число отсчетов даже уменьшается при увеличении загрузки [21]. В случае большого мертвого времени «„/»! полностью теряется информация о разности двух, полученных таким образом, чисел и эффект а становится равным нулю. Понятно поэтому стремление экспериментаторов работать с малыми загрузками, чтобы иметь неискаженные результаты.
Значения коэффициентов Р-нечетной асимметрии в различных процессах могут лежать на уровне КГ - 2-Ю"8, и необходимо получить точность в определении этой асимметрии не хуже, чем 5-10" в наиболее малых эффектах. Для надежного наблюдения эффекта необходимо набрать порядка 1016 событий. При разумном времени набора (Т 100 дней) необходимо регистрировать интенсивность 10 импульсон/с. Такая загрузка, по крайней мере, на три порядка превосходит предельно допустимую для счетной методики скорость набора N - 106 1/ с. Следовательно, эксперимент невозможно осуществить без применения интегрального метода регистрации событий, предложенного в работе [11]. Суть этого метода состоит в замене регистрации счета отдельных импульсов на измерение величины токового сигнала, образованного в детекторе в результате наложения большого числа импульсов от регистрируемых частиц.
В интегральном методе сигнал, поступающий с выхода регистрирующего устройства, образуясь за счет наложения большого числа импульсов, представляет собой случайный процесс x(t) с математическим ожиданием тх=ап, где а - амплитуда импульсов, п — счет импульсов в единицу времени. Переменная составляющая такого процесса представляет собой ограниченный "белый" шум со спектральной плотностью мощности Gx(f)=crn, верхняя граница спектра этого шума определяется временем нарастания (фронтом) импульса. Измеряемый сигнал есть модуляция этого случайного процесса x(t) частотой переключения какого-либо параметра, от которого зависит процесс, в рассматриваемом случае - это переключение устройства - "флиппера", изменяющего поляризацию нейтронов, причем искомой величиной является относительная глубина модуляции.
Основная задача состоит в выделении полезного сигнала на частоте модуляции из зашумленного сигнала на входе регистрирующей системы. Выделение этого сигнала требует длительного накопления, т.к., как правило, отношение сигнал/шум мало. При бесконечно большой стабильности аппаратуры и наличии накопителя бесконечной емкости весь эксперимент по наблюдению эффекта можно было бы разбить на две части, соответствующие разным значениям изменяемого параметра, в результате которых было бы получено два числа. Разность этих чисел и была бы значением эффекта. Но, поскольку аппаратура нестабильна и накопителя бесконечно большой емкости не существует, приходится копить сигнал конечное время и считывать полученные значения с дальнейшей математической обработкой.
В первых работах при исследовании Р-нечетных эффектов токовой методикой при измерении циркулярной поляризации у-квантов [2, 22] в качестве накопителя (интегратора) использовался маятник астрономических часов. Частота переключений знака эффекта настраивалась на собственную частоту переключения маятника, имеющего большую добротность — 105. Накопление осуществлялось в линейном режиме. Полезный периодический сигнал за счет Р-нечетного эффекта, пройдя через резонансный усилитель. раскачивал маятник, случайный сигнал, имеющий разные фазы в разное время занулялся с течением времени. Здесь амплитуда колебаний пропорциональна величине эффекта, а фаза связана со знаком эффекта. Поскольку период колебаний маятника — I с, то при такой большой добротности можно было копить сигнал в течение нескольких часов, не опасаясь нелинейности.
Имеется метод выделения полезного сигнала, основанный на измерении среднего значения процесса при разных знаках эффекта. Накопление сигнала происходит в интеграторах либо в фильтрах нижних частот [23] и сигнал (значение напряжения на емкости) через определенное время, считывается в память ЭВМ. Этот метод по точности определения эффектов полностью эквивалентен методу с использованием маятника. Единственное отличие, что "емкость" буфера, где происходит накопление, небольшая, и значение напряжения на емкости интегратора приходится считывать каждые 1-2 секунды. Вариант метода с интеграторами впервые использован в [24] при изучении Р-нечетной циркулярной поляризации у-квантов при распаде 181Та и 17SLu.
Упомянутые методы дают примерно одинаковую точность в зависимости от времени набора статистики.
В интегральной методике измерений, в случае сложного энергетического спектра регистрируемых частиц, вклад в полный ток детектора дают импульсы от всех частиц, поэтому возможность выделения энергии частиц существует только при применении физических принципов выделения до детектора (постановка фильтров, применение магнитов для заряженных частиц и т.д.). Для сложного энергетического спектра частиц вклад в ток каждой частицы представляет собой произведение ее энергии на парциальную интенсивность. Как показано в [25] "разброс" энергии частиц в интегральной методике приводит к небольшому ухудшению точности по сравнению со счетным методом, но возможность работать с большими загрузками это ухудшение компенсирует многократно.
Существенная часть экспериментов с нейтронами по поиску эффектов, не сохраняющих Р-четность, с применением токовой методики выполнена на выведенных пучках атомных реакторов. Обычные проблемы эксперимента, связанные с получением высокой скорости счета, низкого фона и стабильности, приобретают на реакторе некоторую особенность, связанную с тем, что реактор - система достаточно нестабильная во времени, особенно когда речь идет о применении интегральной методики. Исследование нейтронного потока реактора [26] показали, что любые статистические изменения положения, состава или термодинамичекого состояния элементов активной зоны реактора вызывают колебание его реактивности. Это приводит к флуктуациям нейтронного потока в местах расположения детекторов даже при стационарной мощности реактора. Если говорить о статистической погрешности измерений, то погрешность, вносимая шумом реактора, убывает в зависимости от времени по тому же закону !/vT, что и истинная статистическая погрешность, и их относительное соотношение не зависит от длительности эксперимента Т.
Экспериментальное сравнение способов компенсации флуктуации мощности реактора
Аппаратура для регистрации токовых сигналов [14], описанная выше, была построена 20 лет назад и нуждалась в модернизации и переводе ее, особенно в части сбора информации и управления экспериментом, на более совершенные электронные блоки и современный компьютер. Поэтому для экспериментов на реакторе ИЛЛ были созданы новая система сбора информации от детекторов, работающих в токовом режиме, и система управления экспериментом, в основе которых лежит использование в качестве регистрирующего и управляющего оборудования многофункциональных плат сбора данных, встраиваемых в компьютер.
Использование этих плат позволило организовать гибкое автоматическое управление экспериментальной установкой и сбор получаемых данных. Это дало возможность отказаться от применяемого ранее громоздкого и устаревшего оборудования, в частности, от аппаратуры в стандарте САМАС, что имело большое значение при постановке экспериментов "на выезде". Кроме того, использование этих плат в реальных экспериментах, показало их высокую надежность в течение длительной эксплуатации.
Общая блок-схема системы управления и регистрации в экспериментах по изучению Р-нечетной асимметрии в реакциях поляризованных холодных нейтронов с легкими ядрами при регистрации продуктов реакции интегральным методом приведена на рис. 9.
Система сбора информации включает в себя четыре однотипных канала регистрации токовых сигналов для одновременной работы четырех детекторов с возможностью компенсации флуктуации мощности реактора в двух парах каналов регистрации токов одновременно. Она позволяет одинаково успешно работать с любыми детекторами излучений в широком диапазоне выходных сопротивлении детекторов R-100 кОмтІ ГОм.
Один канал системы регистрации токовых сигналов от детекторов состоит из предусилителя (ПУ) и интегратора, в котором происходит накопление заряда в течение времени интегрирования Ти, Интервал устанавливается оператором в диапазоне Ти =0.1 - 10 сек. Прсдусилители расчитаны на усиление низкочастотного сигнала, постоянная обратной связи предусилителей г =R0cC0c W"3 - I0"2 сек. Предусилители и интеграторы описаны в главе 1 и применялись в новой системе без изменений. Временная диаграмма управления экспериментом (рис. 6) также осталась без изменений.
Напряжение с интеграторов считывается в память ЭВМ с помощью программируемого 12-рачрядного АЦП, установленного на многофункциональной плате сбора данных ACL-8112pg фирмы ADLink Technology Inc. [32]
Кроме считывания содержимого четырех интеграторов, считываются постоянные составляющие с четырех предусилителей и текущие значения сигналов в четырех каналах. Все данные, включая временную развертку сигналов, выводятся на монитор компьютера в режиме "on line".
Время интегрирования и остальные интервалы временной диаграммы задаются оператором и реализуются с помощью программируемых счетчиков-таймеров платы ACL-7120 фирмы ADLink Technology Inc. [33]. Программное обеспечение экспериментов реализовано в операционной среде DOS, программирование управления оборудованием происходит на уровне портов ввода/вывода компьютера.
Программное обеспечение предоставляет пользователю удобный графический интерфейс, Этот интерфейс позволяет настраивать все необходимые для работы установки параметры, запускать и контролировать процесс измерений. Получаемые данные отображаются на экране компьютера в текстовом и графическом форматах в режиме "on line". Имеется также возможность просматривать или обрабатывать ранее полученные и сохраненные в файлах результаты измерений.
2,2. Использование многофункциональных плат, встраиваемых в компьютер, для регистрации непрерывных токовых сигналов и управления экспериментом.
В экспериментах по изучению Р-нечетной асимметрии в реакциях поляризованных холодных нейтронов с легкими ядрами при регистрации продуктов реакции интегральным методом были применены две платы фирмы ADLink Technology Inc., предназначенные для использования в IBM PC или совместимых компьютерах.
Одна из них, ACL-7120 - плата счетчиков-таймеров [33], использовалась для организации временной диаграммы работы экспериментальной установки. Схема временной диаграммы управления экспериментом изображена на рис. 6. На плате ACL-7120 расположены две микросхемы типа Intel 8254 [34], на такой же микросхеме обычно реализуется системный таймер в компьютере. Таймеры 8254 состоят из трех независимых каналов, или реверсивных 16-разрядных счетчиков. Каналы таймера подключаются к внешним устройствам при помощи трех линий: GATE - управляющий вход, CLK - вход тактовой частоты, OUT - выход таймера. Сигналы TTL совместимые.
Каждый канал, т.е. каждый счетчик, содержит несколько программно доступных регистров, через которые происходит управление работой счетчика-таймера, в том числе регистр счетчика СЕ. Регистр счетчика работает в режиме вычитания. Его содержимое уменьшается по заднему фронту сигнала CLK при условии, что на входе GATE установлен уровень логической "1". В зависимости от режима работы таймера, при достижении счетчиком СЕ нуля тем или иным образом изменяется выходной сигнал OUT.
Кроме таймеров плата ACL-7120 имеет 32 TTL канала цифрового ввода и 32 TTL канала цифрового вывода. Из шести счетчиков-таймеров платы ACL-7120 два являются каскадированными и образуют 32-разрядный счетчик-таймер (в нашей системе он называется "таймер 4"), работающий от генератора с тактовой частотой 4 МГц, который имеет возможность вырабатывать сигнал прерывания IRQ. Остальные четыре счетчика-таймера ("таймеры О-3") являются независимыми. Три из них используются для формирования временной диаграммы управления экспериментом. На вход этих счетчиков подается тактовая частота задающего генератора 50 кГц, что дает точность устанавливаемых интервалов на уровне 2-Ю" и максимальный интервал, формируемый этими таймерами, равный 1.31 секунды.
На рис. 10 показана схема соединения счетчиков-таймеров на плате ACL-7120 для реализации временной диаграммы. Управляющие входы GATE, которые на схеме оставлены без входного сигнала, находятся в состоянии логической "I", т.е. работа счетчиков всегда разрешена.
Использование многофункциональных плат, встраиваемых в компьютер, для регистрации непрерывных токовых сигналов и управления экспериментом
Это достигается созданием нечувствительного газового промежутка в камере, в котором частица теряет всю энергию при определенных углах, либо в качестве нечувствительного промежутка можно использовать тонкие твердые металлические пленки. В таком промежутке образующийся заряд стекает на землю. Легко сделать систему из двух камер, где Р-нечетные эффекты отличаются знаком, и скомпенсировать флуктуации мощности реактора.
В первых измерениях Р-нечетной асимметрии практически во всех реакциях нейтронов с легкими ядрами с вылетом заряженных частиц был обнаружен достаточно большой ложный эффект. В дальнейшем при специальных экспериментах, где спин нейтрона был перпендикулярен импульсу заряженной частицы и импульсу нейтрона, этот эффект был определен как эффект лево-правой асимметрии вида W(Q) 1 +аы т [р„, я.
Коэффициент лево-правой асимметрии был экспериментально измерен и составил величину а -1-10"4 [39].
Поскольку обычно бывает трудно установить направление магнитного поля с точностью лучше нескольких градусов, получить в обычно используемой в эксперименте геометрии а A,-L р„ ограничение на Р-нечетный эффект лучше, чем 10 , едва ли представляется реальным из-за возможной примеси лево-правой асимметрии.
Для устранения влияния лево-правой асимметрии на результат измерений Р-нечетной асимметрии необходимо изменить геометрию эксперимента так, чтобы наблюдаемые вектора а„,рп,рр были бы параллельны ?Jp„flp,, гДе &„ спин нейтрона, рп- импульс нейтрона, рр- импульс заряженной частицы, соответственно.
При установке трех векторов, указанных выше, параллельно друг другу с точностью d 5-Ю3 , что экспериментально достаточно легко достижимо, вклад лево-правой асимметрии в Р-нечетную уменьшается как сГ, и в этой геометрии не превосходит величины-2.5-10" . Ионизационная камера [14], изображена на рис. 15. Продольно поляризованный пучок нейтронов входит в мишень под углом 90, при этом резко уменьшается число захваченных нейтронов. Для получения достаточной статистической точности необходимо увеличивать число мишеней.
3 В имеющейся газовой камере вдоль оси пучка располагаются 24 мишени и две детектирующих камеры около каждой мишени. Кроме того, увеличение числа мишеней сделано для уменьшения удельной ионизации в газе с целью сохранения хорошей линейности системы и более полного использования пучка. Одна половина камеры около каждой мишени регистрировала заряженные частицы, вылетающие по направлению распространения пучка, т.е. по импульсу нейтрона ("вперед"), другая - против этого направления ("назад"). Поскольку наблюдается Р-нечетная асимметрия вида (0) - I+ «( ?„ ,рр), эффекты при регистрации частиц, вылетающих "вперед" и "назад", имеют разные знаки. Все половинки двойных камер "вперед" ("назад") были соединены электрически для работы на один предусилитель сигнала. Был проведен расчет используемой в эксперименте ионизационной камеры с помощью прямого моделирования физических процессов методом Монте-Карло [40]. В расчетах использовалась геометрия реальной ионизационной камеры [14], вылет продуктов реакции из мишени считался сферически симметричным. В качестве рабочего использовался газ - аргон, варьировались толщины мишеней и давление газа для выделения одной компоненты реакции.
Правильность работы программы проверялась при описании более сложного случая, чем реакция 6Ы(п,а)%Н а именно, расчета спектра в реакции ш5(я,а)7/,/, где испускаются две ос-частицы, и сравнения расчетного спектра с экспериментально измеренным. Мишень бора приготовлялась высаживанием атомарного, обогащенного до 90% l0B, из взвеси в ацетоне на тонкую алюминиевую фольгу [31]. При этом мишень состояла из зерен вещества, лежащих на поверхности подложки. Толщина мишени измерялась прямым взвешиванием. На рис. 16 представлен экспериментальный энергетический спектр вторичных частиц в реакции СВ(п,а)7Li, полученный импульсной методикой, для толщины мишени d=135 мкг/см ± 20%.
На рис. 17 представлены расчетные спектры продуктов реакции в зависимости от энергии при разной толщине мишеней и различной неоднородности мишеней по толщине [41]. Предполагалось, что толщина мишени вдоль пути нейтрона через мишень изменяется случайным образом в соответствии с нормальным законом распределения, параметры которого (среднее значение d и стандартное отклонение &(d) = kdd) задавались. Наблюдается хорошее совпадение расчетного (при d 160 (ISO) мкг/см и kj= \) и экспериментального спектров, что позволяет утверждать, что программа отражает эксперимент на литии также адекватно.
Для реакции ьЦ{п,а)ъН был проведен расчет выхода тритонов дня различной толщины мишеней и различной толщины нечувствительных газовых промежутков для выбора оптимальной геометрии камеры [41]. На рис. 18 представлен расчет выхода тритонов энергии =2.73 МэВ для разных толщин и разных дисперсий толщин мишеней 6LiF. Поскольку в интегральной методике основным является выход энергии, на том же рисунке представлен выход энергии в зависимости от толщины мишеней и разной дисперсии толщин мишеней. Расчет проведен с учетом газового нечувствительного промежутка для создания определенного телесного угла вылета тритонов.
Принципы построения измерительного тракта при повышенных частотах переключения знака эффекта
Данная архитектура приемлема в том случае, когда все действия могут выполняться последовательно. По сути, в большинстве компьютеров общего назначения используется сегодня такая архитектура. Однако для быстрой обработки сигналов больше подходит гарвардская архитектура [30], показанная на рис. 2R, В. Данная архитектура получила свое название в связи с работами, проведенными в 1940-х годах в Гарвардском университете. Данные и код программы хранятся в различньк блоках памяти, и доступ к ним осуществляется через разные шины, как показано на схеме. Т.к. шины работают независимо, выборка команд программы и данных может осуществляться одновременно, повышая таким образом скорость по сравнению со случаем использования одной шины в архитектуре Фон Неймана. На рис. 28, С представлена модифицированная гарвардская архитектура, используемая компанией Analog Devices Inc. [50, 51], где и команды, и данные могут храниться в памяти программ.
В экспериментальных установках, разработанных в ПКЯФ РАН, применяются процессоры семейства AD21xx [52, 53, 54, 55] фирмы Analog Devices и процессоры семейства TMS320 фирмы Texas Instruments [56].
Семейство процессоров ADSP-21xx включает в себя набор процессоров разной степени производительности, совместимых по коду. Все они построены по гарвардской архитектуре. Важной особенностью этих процессоров является малое время обработки прерываний. Наличие порта интерфейса с внешней шиной (HPI - Host Port Interface), который может быть сконфигурирован для работы с внешними шинами (в частности, ISA и VME), обеспечивает работу как в PC, так и в приборном исполнении, в этом случае можно использовать последовательный порт.
Гибкая архитектура процессоров семейства ADSP-21xx и соответствующий набор команд позволяют достичь высочайшей степени параллелизма при выполнении операций. Производительность процессоров варьируется от 33 MIPS (MIPS - миллион операций в секунду) для младших 16-разрядных моделей ADSP-218x (целочисленная арифметика) до 1.2 GFLOPS (GFLOPS - миллиард операций с плавающей запятой в секунду) для старших 32-разрядных моделей SHARC. В качестве основной архитектуры построения приборов на базе DSP наиболее логичной представляется двухуровневая организация, при которой функции распределяются следующим образом; DSP: - оцифровка и обработка данных в реальном времени; PC: - графический интерфейс, архивация конечных данных. Именно такая схема была использована при исследовании возможности повышения информативности и точности измерения и стабилизации условий ядерного магнитного резонанса в спектрометре электрического дипольного момента нейтрона. [55]. С точки зрения проблем автоматизации и обработки сигналов и данных в реальном времени, эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона, предъявляющий высокие требования к точности измерений, являлся интересным для апробации вычислительных методов и общих подходов применения DSP по следующим причинам: многоканальность системы измерений при наличии коррелированных каналов; характер измеряемых физических величин. В частности, близкие к гармоническим в звуковом диапазоне частот ( 7 кГц) сигналы самогеверирующих квантовых магнитометров дают возможность очень просто подвергнуть их оцифровке с достаточно высокой степенью точности. Далее возможно как простое накопление первичных данных с их предварительной обработкой, так и управление в реальном времени.
Основной целью исследований в [55] являлась отработка методических приемов спектроанализа в реальном времени. Так как стояла задача определения средней за некоторый промежуток времени "звуковой" частоты квазисинусоидального входного сигнала, в качестве DSP-устройства использовалась плата ADSP-2181 EZ-LAB фирмы Analog Devices [57]. Эта плата является самостоятельным настольным устройством и содержит:
16-разрядный процессор ADSP-2I8I 33 МГц с фиксированной точкой; 16-разрядный звуковой стерео ввод/вывод AD1847 SoundPort Codec; RS-232 - интерфейс последовательного порта для связи с PC. Был использован описанный в [55] метод "Zero_crossing". Этот способ определения средней частоты требует минимального количества вычислительных операций над дискретными значениями, получаемыми на выходе АЦП, поэтому они выполняются на уровне обслуживания прерывания от АЦП, т.е. в реальном времени. Предварительные результаты измерений частоты в условиях, имитирующих реальную шумовую обстановку в спектрометре ЭДМ нейтрона, показали, что достижима относительная точность измерения частоты слабо зашумленного сигнала — 10" относительно частоты опорного сигнала.
Кроме определения средней частоты сигнала в фоновом режиме было реализовано быстрое преобразование Фурье (БПФ, 1024 точки), и амплитудный спектр исследуемого сигнала можно было наблюдать на экране монитора PC через заданные интервалы времени.
Для организации измерений с обработкой данных в режиме реального времени очень важно такое свойство DSP, как возможность оценить время выполнения программного кода, что позволяет строить программы, предсказуемые по скорости выполнения различных компонент. Для процессоров фирмы Analog Devices это можно сделать с точностью до такта процессора.
Было проведено тестирование времени выполнения той части программы для процессора ADSP2I81, которая реализует комплексное быстрое преобразование Фурье на 1024 точки и вычисление амплитудного спектра сигнала. Измеренное время -3.4 мс полностью согласуется с предсказываемым по числу циклов процессора (-113000 циклов - не оптимальный вариант -при длительности цикла 30 не).
В качестве иллюстрации приведем данные по достижимой скорости выполнения математических операций на различных процессорах фирмы Analog Devices [58, 59] -таблица 5.
Еще одна работа, выполненная в ПИЯФ, тоже является примером использования DSP в научных исследованиях: создание контроллера в системе регистрации для время-пролетного масс-спектрометра с использованием сигнального процессора TMS320C6711 [56].
Ряд процессоров TMS320C6x фирмы Texas Instruments являются частью семейства цифровых сигнальных процессоров TMS320 [60]. Процессоры TMS320C62x ( С62х) являются целочисленными DSP, a TMS320C67x ( С67х) обладают встроенной поддержкой операций с плавающей запятой. Все эти DSP являются совместимыми по коду и используют, в рамках Гарвардской архитектуры, высокопроизводительную, усовершенствованную архитектуру VL1W (very long instruction word), которая позволяет выполнять несколько инструкций параллельно в различных операционных модулях центрального процессора за один такт [61]. Параллелизм, пакетное выполнение инструкций, гибкость кода и типов данных (условное выполнение, переменный размер инструкций, нулевые накладные расходы при выполнении инструкций переходов) обеспечивают высокую производительность, что делает эти DSP прекрасным выбором для многоканальных и многофункциональных приложений.
