Принцип работы электроники

 

Теперь можно приступить к описанию совсем, как мне кажется, новых для вас вещей. Что нужно еще, кроме одного детектора сделать, чтобы решить нашу Главную Задачу (см здесь)?

Во первых надо понять, что положив на землю один такой детектор мы еще ничего не решаем. Почему, спросите вы? Потому что срабатывание (появление сигнала) этого счетчика еще ничего не доказывает. Есть как минимум три причины для срабатывания: - прохождение одной или нескольких частиц из “пучка” частиц ШАЛ (наш случай); - шумовое срабатывание ФЭУ (как и в любой системе с большим усилением это вполне возможно) и радиоактивный фон от минералов Земли. Что же делать? Один из простейших способов - поставить рядом второй детектор и регистрировать (записывать данные а ПК) только те события в которых в обоих счетчиках появятся сигналы во временном “окне” ± DT (в настоящий момент выбрано ± 1 микросекунда). Понятно, что и шум и фоновая радиация таких событий почти не даст, а в “пучке” ливня одновременно рядом летят сотни частиц и с большой вероятность будут удовлетворять именно этим условиям выборки. Но одно дело сказать, а другое дело реализовать это технически.

Придется снова сделать отступление на тему - как принимаются решения в нашей жизни? Обдумывая как вам лучше объяснить основы работы блоков электронной логики нашего эксперимента, я понял, что многие их функции имеют аналоги в нашей повседневной жизни. Сначала введем понятие “порога”. Порог это граница принятия решения. Если что то ниже этой величины - вы действуете по одному сценарию (например, ничего не делаете), а если это что то стало больше порога, то по другому. Примеров множество на каждом шагу.

Пример 1

Зонтик и дождь. Если дождя нет или очень слабый - вы зонт не открываете, если превышает некий порог (у каждого свой) то открываете.


Пример 2

Храп соседа за стеной. Если еле слышно - то вы не обращаете внимания - если стены трясутся, то вы стучите в стену.


Пример 3

Найдите сами :-)

 

Так и у нас - прежде всего мы должны принять решение - есть сигнал или его нет? Все вы понимаете, а кто пока не задумывался пусть сделает максимальную громкость на любом звуковоспроизводящем устройстве при отсутствии входного сигнала и услышат шумы усилителя, что в любом электронном канале присутствуют шумы. Кроме того, хоть сцинтилляционный детектор и выдает на каждый факт прохождения частицы электрический импульс, но это не генератор стандартных сигналов, а реальный детектор и поэтому величина сигнала на выходе будет еще зависеть от многих причин:

  • флуктуации (изменение от раза к разу) энергии, выделившийся как ионизационные потери в чувствительном объеме детектора;
  • флуктуации в переходе возбужденных атомов вещества детектора в сцинтилляционный свет;
  • не одинаковой эффективности сбора света на ФЭУ, из разных частей сцинтиллятора
  • ......

В результате этого сигнал, если мы не него посмотрим в осциллограф ) будет выглядеть как то так.
О том, что такое осциллограф и как с ним работают можно узнать на YouTube. Настоятельно рекомендуем посмотреть видео различных сигналов с наших детекторов и пояснения к ним. Ссылку на этот материал можно найти в разделе Справочник -> Видео

 

Приведенные выше сигналы нарисованы от руки и каждая линия соответствует случаю отдельного сигнала с детектора. То есть на рисунке сигналы от четырех разных срабатываний(частиц) сведены в одну картинку.

Здесь я снова должен объяснить вам еще одну техническую подробность. Иногда физики интересуются не только самим фактом появления сигнала но и той информацией, которая в нем заключена - например амплитуда сигнала или площадь/интеграл под сигналом (суммарный заряд). Для электронных инженеров это особый класс электроники - так называемая “аналоговая” электроника. Подробности про это, может быть, потом, а пока вернемся к другому разделу электроники для детекторов - так называемой “логической” электроники. Наш случай из этого раздела. Мы хотим создать электронный блок, который отбирал бы нам только случаи одновременного срабатывания двух наших детекторов. Как я уже говорил - такие случаи скорее всего соответствуют факту регистрации ШАЛ (но не 100%!). Какая при этом будет амплитуда или форма сигнала нам на этом этапе все равно.

 

 

Если для аналоговой электроники вся информация заключена в форме сигнала, то для принятия логического решения желательно (проще всего реализовать) превратить сигналы произвольной формы в некий “стандартный” сигнал. То есть в сигналы одной и той же амплитуды прежде всего. Для решения этой задачи электронные инженеры создали блок под названием “дискриминатор”. Вот он и “решает” - пора открывать зонтик или нет. Для этого у него есть два входи и один выход. на один вход подается наш сигнал с детектора, а на другой некий эталонный (опорный, референсный) уровень - просто постоянное напряжение регулируемого уровня.

 

 

Рассматривая эту картинку можно самим сообразить, как работает блок дискриминатора. Эталонный уровень присутствует всегда. На другой вход поступает сигнал с детектора. Пока он меньше эталонного уровня - на выходе ничего нет. Как только эти два уровня сравниваются на выходе появляется некий стандартный уровень (под стандартным я имею в виду, что специалисты договариваются между собой каким именно должен быть этот уровень, чтобы можно было создавать в разных местах блоки логической электроники и все они могли работать вместе в разных установках. Существует, например, стандарт NIM в котором этот уровень (- 0.8 в) (минус 0,8 вольта). Пока сигнал выше эталонного уровня - на выходе присутствует этот стандартный уровень. Как только он станет меньше эталонного - уровень напряжения на выходе исчезает. Таким образом мы с вами сформировали сигнал стандартной амплитуды. Для всех случаем, когда сигнал превышает уровень вашего “порога” (новое слово объясняющее смысл “эталонного сигнала”) блок дискриминатора выдает сигнал стандартной амплитуды.

Итак мы выполнили первую часть задачи создания блока для электронного и быстрого (автоматического) отбора событий одновременного появления сигналов в двух детекторах. Теперь посмотрим, как можно простейшим способом решить эту задачу, то есть создать блок двукратных совпадений. Попробуйте разобраться рассматривая следующую картинку. Понятно, что первым делом мы с помощью дискриминатора формируем из “прыгающих” сигналов с обоих детекторов два стандартных сигнала скажем амплитуды “Δ” каждый. После этого паяем простейшую схему из трех сопротивлений. При этом общее (нижнее сопротивление) много больше двух верхних.
С нижнего сопротивления, на котором “суммируются” токи от двух наших детекторов, возмем сигнал на вход еще одного дискриминатора на котором установим уровень опорного напряжения выше чем Δ (скажем 1,5 Δ). Подумайте как такая схема работает.

 

 

Пока на входе присутствует только один сигнал (любой) напряжение на входе дискриминатора только Δ, что ниже порога и на выходе сигнала нет. Если же два сигнала от детектора пришли одновременно (вернее хоть частично совпадают во времени) - на выходе дискриминатора появится сигнал - говорящий о том, что в нашей установке появилось событие очень похожее на событие ШАЛ и всю имеющуюся нем информацию надо записать в память ПК для последующей более подробной обработки.

Такой сигнал физики называют “триггером” или триггерным сигналом от английского слова trigger, что означает курок ружья или любого оружия.

 

Заключение.

В этом разделе сделана попытка рассказать на элементарном уровне о принципе работы одной детектирующей станции нашей “Русалки”. Два сцинтилляционных счетчика, лежащих рядом плюс схемы формирования. Нам с вами надо правильно задать уровень порога для первых формирующих дискриминаторов для каждого из двух детекторов. Это первый свободный параметр, который физику- экспериментатору надо правильно выбрать.

Схема совпадений, включенная после этих дискриминаторов/формирователей, позволяет автоматически отобрать для записи всей имеющийся информации про это событие в ПК, то есть вырабатывать триггер на события ШАЛ.