Электронная аппаратура нейтронных дифрактомеров по времени пролута на импульсных реакторах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Новожилов, Владимир Евгеньевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Дубна
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1992
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ШЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
На правах рукописи 10-92-43
НОВОЖИЛОВ Владимир Евгеньевич
ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА НЕЙТРОННЫХ ДИФРАКТОМЕТРОВ
ПО ВРЕМЕНИ ПРОЛЕТА НА ИМПУЛЬСНЫХ РЕАКТОРАХ
тециальность: 01.04.01. - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Дубна 1992
Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики объединенного института ядерных исследований.
Научные руководители:
кандидат физико-математических наук
старший научный сотрудник Балагуров A.M.
кандидат технических наук
старший научный сотрудник Тишин В. Г.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
старший научный сотрудник , Фетисов г.в.
кандидат технических наук
старший научный сотрудник Чурин и.Н.
Ведущая организация: Санкт-Петербургский институт ядерной физики ии. Б.П.Константинова, г. Гатчина.
и - I
Защита состоится " ^ър-сля. 1992 года^ТГа заседании
специализированного совета д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна, Московская область.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке оияи.
Автореферат разослан " № ' ¡¿^Р' _ 1992г.
Ученый секретарь специализированного совета
Таран ю. в.
общая характеристика работы.
Актуальность темы, в Лаборатории нейтронной физики -ОИЯИ на импульсных реакторах ИБР-2 и ИБР-30 на нейтронных дифрактометрах по времени пролета ведутся эксперименты по исследованию атомной структуры кристаллов. Для расширения возможностей постановки эксперимента, его оптимизации и сокращения времени набора информации широко используются позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) нейтронов или система "точечных" детекторов, расположенных на нескольких углах рассеяния. Параллельный процесс накопления информации со многих детекторов, а также специфические особенности регистрации данных от ПЧД потребовали разработки соответствующей электронной аппаратуры.
Еще одной крупной темой, развиваемой в последние годы на импульсных реакторах, является "нейтронография в реальном времени" (НРБ). С ее помощью изучаются переходные процессы в кристаллах, длящиеся от нескольких минут до часов. Для реализации метода потребовалось разработать электронную аппаратуру с непрерывной по времени регистрацией последовательности нейтронограмм.
Оба направления - структурные исследования и изучение переходных процессов - постепенно становятся основными темами нейтронографических исследований на импульсных источниках нейтронов: импульсных реакторах и "spallation sources". При постановке нейтронографических экспериментов на импульсных реакторах дополнительной проблемой при разработке электронной аппаратуры является необходимость учитывать очень высокие мгновенные загрузки, возникающие из-за большой скважности источника.
Таким образом, для проведения актуальных нейтронографических экспериментов на импульсных реакторах потребовалось создание комплекса электронной аппаратуры, обеспечивающей:
использование системы "точечных" нейтронных детекторов, а также одно- и двухмерных позиционно-чувствительных нейтронных детекторов для накопления больших объемов информации;
сжатие информации путем соответствующего кодирования и гибкого управления разрядностью многомерной информации-,
исследование быстропротекающих переходных процессов в образцах;
- регистрацию данных в условиях больших импульсных загрузок.
Целью работы являлось создание и использование на нейтронных
дифрактоыетрах электронной аппаратуры для определения координат событий в одномерных детекторах с высокоомным анодом и двухмерных пропорциональных камерах, кодирования номеров "точечных" детекторов, кодирования временных интервалов, набора двух- и трехмерной спектрометрической информации, исследования переходных процессов в образцах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Впервые разработана отечественная аппаратура кодирования координат в позиционно - чувствительных нейтронных детекторах с высокоомным анодом и нейтронных пропорциональных камерах.
-Впервые разработано устройство для определения координат в ПЧД с увеличенным в два раза по сравнению с прототипами количеством позиционных каналов, (а.с. №1603317).
-Разработан преобразователь время-код с программно-задаваемой временной шкалой, позволяющий:
-а) кодировать по различным законам временную шкалу с шириной канала от 0,5мкс до 32мс и максимальным числом (изменяемым по длительности) каналов 4096;
-б) проводить регистрацию событий в режиме +1 и +М; -в) работать в режимах таймера, интенсиметра, двух генераторов последовательностей прямоугольных импульсов, двухканального устройства пропускания детекторных сигналов во тременных^" окнах"^-—
-Разработаны формирователи двух- и трехпараметровых кодов с новым устройством выделения числового интервала (а.с. .№955028).
-Впервые разработана аппаратура непрерывной во времени регистрации последовательности нейтронограмм для исследований быстропротекающих процессов в образцах.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе разработанной автором электронной аппаратуры и при его непосредственном участии созданы измерительные системы для нейтронографических исследований на нейтронных дифрактометрах дн-2 и двр на импульсных реакторах ИБР-2 и ИБР-30 оияи, нейтронного дифрактометра филиала НИФХИ АН СССР (г.Обнинск) и нейтронного дифрактометра ИЯИ ЧСАН (г. Ржеж) ЧСФР. На этих установках проведен ряд уникальных экспериментов по исследованию структуры различных кристаллов, в том числе высокотемпературных
эрхпроводников, липидных мембран и переходных процессов в 1сталлах.
Апробация: основные результаты диссертационной работы /бликованы в виде журнальных статей, сообщений ОИЯИ, кладывались на научных семинарах ЛНФ, представлялись на X резден, 1980г. , Германия), XII (Дубна, 1985г., Российская церация), XIII (Варна, 1988г., Болгария) и XIV (Варшава, эог. , Польша) Международных симпозиумах по ядерной электронике.
структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из эдения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа ложена на 108 страницах, включает 35 рисунков и 4 таблицы, исок литературы содержит 121 наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее ли и научная новизна, дано краткое изложение содержания работы
главам.
Первая глава диссертации посвящена основным принципам строения электронной аппаратуры нейтронных дифрактометров по емени пролета на импульсных реакторах. Проведение исследований руктуры кристаллов требует накопления больших объемов формации. Для сокращения времени накопления данных обосновано именение одно- и двухкоординатных позиционно-чувствительных текторов. При этом регистрация дифракционных спектров оизводится в параллельном режиме: развертка спектра всегда уществляется по времени пролета и, в зависимости от типа ПЧД, одной или двум угловым координатам. Сделан краткий обзор вменяемых на дифрактометрах различных позиционно-чувствительных :тектров, методов и электронной аппаратуры определения координат |бытий.
Подробнее расмотрены методы определения позиции в ПЧД с [сокоомным анодом и небходимая для этого электроная апаратура: [алоговая и цифровая. В последнем случае сигналы с двух концов 1Д оцифровываются с помощью АЦП, а далее позиция определяется с >именением ЭВМ или аппаратно спецпроцессором. Время определения ¡ординат событий при использовании ЭВМ составляет сотни 1кросекунд, при использовании спецпроцессоров аналогового или 1фрового типа - единицы или десятки микросекунд.
Известны три метода определения координат событий в ПЧД с высокоомным анодом:
-2. - А1 г 1 1 Л - А1 . х _ А1 - А2 ,,,
Ь А2 Ь ~ А1 + А2 Т А1 + А2 1 Л' '
X
где - относительная координата события (Ь - полная длина детектора), А1, А2 - амплитуды сигналов с концов ПЧД. Описан применяемый в ЛНФ ОИЯИ новый метод определения позиции событий для однокоординатных позиционно-чувствительных нейтронных детекторов с высокоомным анодом:
А2 + - А1)
-^- (4)
А1 + А2
где и ~ соответственно сопротивления нагрузки на концах детектора и анодной нити ПЧД. Проведены сравнение и анализ погрешностей для этого и известных ранее трех методов определения координат событий. получена оценочная формула взаимосвязи погрешности определения позиции в ПЧД с высокоомным анодом, максимальной разрядности АЦП, используемых для оцифровки исследуемых аналоговых сигналов с двух концов ПЧД, и допустимого динамического диапазона исследуемых сигналов.
Проведен обзор электронной аппаратуры регистрации событий с
~двухкоордиТ1атных пропорциональных камер (ДПК) и отмечены особенности регистрации событий для нейтронных дпк.
Во второй главе проведен кракий обзор типов преобразователей время-код (ПВК) и рассмотрен разработанный автором программируемый преобразователь время-код ВКП-б с дополнительными функциональными возможностями. Необходимость накопления большого количества информации в параллельном режиме требует больших объемов памяти накопительного устройства. Одним из способов сжатия дифракционной информации является использование ПВК с временной шкалой, имеющей переменную ширину канала. При использовании временой шкалы для регистрации дифракционных спектров с шириной канала, изменяемой пропорционально времени или квадрату времени, осуществляется сжатие информации в единицы и десятки раз.
Разработанный преобразователь время-код ВКП-б позволяет
дировать временные интервалы как с постоянной шириной канала, кис изменяемой по заданному программно закону. Ширина каждого и группы временных каналов может изменятся от 0,5мкс до 32мс, личество программируемых каналов - до 4096. Кроме того, ВКП-б жет работать в следующих режимах:
-регистрация временной информации на накопительном устройстве режиме +1 событие;
-регистрация временной информации на накопительном устройстве режиме событий;
-устройство с двумя независимыми измерительными каналами :гистрации детекторных сигналов во временных интервалах ременных "окнах"); -два генератора последовательностей прямоугольных импульсов; -таймер; -интенсиметр.
Использование ВКП-б в режиме регистрации событий за одно зращение к зу позволило увеличить максимальную загрузку згистрации до 3x1 о6 событий/с.
Многофункциональное использование ВКП-б уменьшило количество азличных типов устройств, применяемых ранее при проведении лзических экспериментов.
В третьей глав е рассмотрена электронная аппаратура определения зординат событий в однокоординатных позиционно-чувствительных ейтронных детекторах с высокоомным анодом и двухкоординатных ропорциональных камерах, которые находят все большее применение экспериментах на нейтронных дифрактометрах, поскольку позволяют роводить регистрацию не точки, а некоторой области обратного ространства кристалла, то есть существенно (в десятки и сотни аз) сокращают время проведения эксперимента.
При цифровых способах определения координат событий в пчд с ысокоомным анодом сигналы с двух концов пчд преобразуются в ифровой вид и далее обрабатываются спедконтроллером или пецпроцессором. Разработанный автором спецконтроллер получает нформацию с двух ацп по шине камак и осуществляет преобразование о алгоритму формулы (4) для получения цифрового кода позиции, ычислительный узел спецконтроллера построен на основе .рифметико-логического устройства (алу). время получения диести-1азрядного кода позиции - 6,5мкс с устройством быстрого деления и 6,Эмке с устройством медленного деления, спецконтроллер выполнен
в стандарте КАМАК в виде модуля шириной ЗМ.
Разработанный спецпроцессор принимает информацию от двух А по кабелям с внешних разъемов, расположенных на передней пане блоков, что ускоряет процесс считывания информации с АЦП- Вычи лительный узел спецпроцессора, построенный на основе сумматор выполняет арифметические операции как суммирования, вычитани так и деления. Функциональная схема спецпроцессора представле на рисунке 1. Время получения шестиразрядного кода позиции
Рис.1. Функциональная схема спецпроцессора определения позиции на основе сумматора.
4,5мкс. Блок выполнен в стандарте камак в виде модуля шириной
Для некоторых типов экспериментов на высокопоточном импульснс реакторе ИБР-2 были разработаны два устройства определени координат аналогового типа с временем определения позиции 0,5мкс Функциональная схема устройства аналогового типа с использование быстрого АЦП представлена на рисунке 2. Блок, содержащий дв усилителя, два стретчера и устройство определения координат выполнен в стандарте КАМАК в виде модуля шириной 1М. Второ устройство обладает такими же характеристиками, но имеет в дв раза большее максимальное количество позиционных кодов событий.
В случаях применения двухкоординатного нейтронного детектор (ДНД) в физических экспериментах при регистрации каждого событи взаимодействия нейтронов с детектором по каждой координат появляются сигналы не с одной, а с нескольких рядом 'расположении катодных нитей (образуются кластеры). Поэтому возникает задач
Рис.2. Функциональная схема устройства определения координат в ПЧД аналогового типа.
ыделения центра кластера, которую решают при обработке нформации с помощью ЭВМ или аппаратно. Функциональная схема стройства определения одной из координат ДНД представлена на исунке 3. Устройство выполнено в стандарте КАМАК с шириной модуля ЗМ. Количество входов по каждой из двух координат-32, ремя регистрации события 1,5мкс.
В четвертой главе рассмотрены электронные устройства армирования однопараметровых и многопараметровых кодов.
Рис.3. Функциональная схема кодирования позиции в пропорциональной камере.
В нейтронной дифрактометрии по времени пролета с использованием различных детекторов возникает задача формирования многопараметровых кодов. При использовании нескольких "точечных" детекторов или позиционно-чувствительного детектора необходимо формировать двухпараметровый код номера детектора и времени или кординаты X и времени, при использовании двухкоординатной пропорциональной камеры - трехпараметровый код координат X, У и времени. Часто накопление многопараметровой спектрометрической информации производится в запоминающее устройство (ЗУ) таким образом, что многопараметровый код события является адресом ячейки памяти ЗУ, по которому к содержимому ячейки добавляется одно (иногда сразу несколько) событие. в некоторых случаях требуется регистрация событий не со всей длины или площади используемых одно- или двухкоординатных детекторов, а с некоторой их части или области, смещенной относительно начала координат. Кроме того, некоторые кодирующие устройства сами имеют область кодирования, смещенную относительно начала числовой оси. В таких случаях при накоплении информации в запоминающих устройствах появляются области памяти ЗУ, не заполненные полезной информацией.
С увеличением величины и количества параметров существенно увеличиваются и объемы регистрируемой информации а, следовательно, и объем памяти ЗУ, требуемой для накопления спектрометрической информации.
-В—ЛНФ—ОИЯИ—разработана—методика—проведения—дифракционных
экспериментов в реальном масштабе времени на импульсном источнике нейтронов ИБР-2, с помощью которой проводится изучение переходных процессов в образцах. В ходе эксперимента весь объем ЗУ разбивается на области, называемые кадрами, в каждой из которых, определенное время /время экспозиции кадра/ накапливаются спектры от исследуемого образца с одного или нескольких "точечных" детекторов или ПЧД. Таким образом происходит последовательное заполнение всего ЗУ этими кадрами. При малых временах экспозиции кадра и большом числе детекторов объем информации велик и необходимо эффективное кодирование с целью сжатия накапливаемой информации и уменьшения требуемых объемов запоминающих устройств.
В четвертой главе рассмотрены многопараметровые формирователи кодов с отбором полезных событий, осуществляющие сжатие информации и имеющие возможность управления как от ЭВМ, так и
автономно с помощью переключателей на передней панели.
Разработанное устройство для выделения числового интервала осуществляет нормирование и позволяет регистрировать события, коды которых удовлетворяют нижней и верхней границам разрешенной области регистрации событий. Устройство использовано в многомерных формирователях кодов.
Устройство формирования двухпараметровых кодов ПЧД и времени выполнено в стандарте КАМАК в виде модуля шириной 2М, мертвое время - около 2мкс. кроме того оно позволяет передавать информацию по последовательной линии связи со скоростью около 1Мбод.
Функциональная схема устройства формирования трехпараметровых кодов представлена на рисунке 4. Блок состоит из двух одинаковых
[ _ _ _ _ ФОРМИРОВАТЕЛЬ_2 ]
Рис.4. Функциональная схема устройства формирования трехпараметровых кодов.
формирователей Ф1, Ф2 и выходного формирователя ФЗ, с помощью которых задается число разрядов по X и У координатам и формируется слово, являющееся адресом ячейки запоминающего устройства. Посредством переключателей на передней панели или по командам КАМАК в регистр нижней границы заносится код номера начальной нити, а в регистр числового интервала - код количества нитей в группе. Информация с нитей регистрируется, если она поступает с нитей, номера которых находятся в заданном интервале. Номер начальной нити может быть любым, от 1 до 64, а количество нитей составлять 2т, ш = 0,1,...б. В выходной формирователь ФЗ
поступают позиционные коды Nx и N^ и временной код Nt, из которых формируется выходной код. Формирователь ФЗ потенциального типа выполнен на микросхемах коммутации типа кп. время получения выходного кода составляет около 0,15мкс. Уменьшая число разрядов по X и У координатам и выбирая таким образом какую-то часть общей площади детектора, можно расширить интервал времени, в течении которого происходит регистрация информации или уменьшить (сжать) объем регистрируемой информации.
Конструктивно блок выполнен на одной плате в стандарте КАМАК модулем шириной 2М.
Для регистрации временных спектров от нескольких "точечных" детекторов был разработан кодировщик номера детектора (КНД). Он содержит буферное запоминающее устройство (БЗУ) объемом 2048х32(80)бит слов и позволяет формировать двухпараметровые коды номера детектора и времени. Блок выполнен в стандарте КАМАК модулем шириной 2М. Дополнительный модуль позволяет увеличить количество обслуживаемых детекторов до 68.
Параметры устройства: Количество детекторов до 20 (68)
Частота регистрации МГц до 3
(по каждому входу)
Минимальная ширина временного канала (икс) 0,5 Число временных каналов от 128 до 4096
Для исследования переходных процессов в образцах разработано
-устройство—разбиения—памяти—с—экспозицией,-выполнелное_в
стандарте КАМАК в виде модуля шириной 2М, имеющее следующие основные параметры:
Максимальный объем применяемого ЗУ Число кадров
Объем адресного поля кадра ЗУ (слов) Экспозиция одного кадра (число периодов тактовых импульсов) Для передачи и приема цифровой спектрометрической информации на расстояние около 1км были разработаны устройства передачи и приема информации по двум или одному коаксиальному кабелю с частотой передачи около 1МБод.
£ пятой главе рассмотрены созданные на основе разработанных автором электронных устройств комплексы . электронной аппаратуры нейтронных дифрактометров по времени пролета с использованием
256к
от 1 до 1024 от 256 до 64к от 1' до 65536
"точечных',' а также одно- и двухкоординатных позиционно-чувствителышх детекторов.
В ЛНФ ОИЯИ на импульсном нейтронном реакторе ИБР-2 действует нейтронный дифрактометр по времени пролета ДН-2. В основном, он предназначен для проведения дифракционных экспериментов, требующих большой светосилы и умеренного разрешения. На импульсном нейтронном реакторе ИБР-30 ЛНФ ОИЯИ действует нейтронный дифрактометр ДВР, предназначенный для
нейтронографических исследований высокого разрешения. Электронная аппаратура этих дифрактомеров во многом аналогична. Нейтронный дифрактометр ДН-2 включает набор детекторов с электроникой, два канала накопления спектрометрической информации, аппаратуру управления режимами измерений, механическими узлами дифрактометра и внешними условиями на образце. Система автоматизации экспериментов создана на базе ПЭВМ PC/AT и аппаратуры КАМАК.
Функциональная схема электронной аппаратуры нейтронного дифрактометра показана на рисунке 5. Сигналы с детекторов
QED-
□ЕЭ—
пгп-
nm—
шдагшТ
I 1ЛЯ I
i pc/at г~
гониометр
