Главная » 2014»Август»4 » Скачать Метод регистрации частиц, сопровождающих деление. Дунаев, Михаил Владимирович бесплатно
05:56
Скачать Метод регистрации частиц, сопровождающих деление. Дунаев, Михаил Владимирович бесплатно
Метод регистрации частиц, сопровождающих деление
Диссертация
Автор: Дунаев, Михаил Владимирович
Название: Метод регистрации частиц, сопровождающих деление
Справка: Дунаев, Михаил Владимирович. Метод регистрации частиц, сопровождающих деление : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.01 Обнинск, 2005 113 c. : 61 05-1/722
Объем: 113 стр.
Информация: Обнинск, 2005
Содержание:
Введение
1 Общие принципы цифровой обработки сигнала
11 Аналоговые и цифровые методы обработки сигнала
12 Аппаратные средства ЦОС систем для IBM PC
13 Программное обеспечение ЦОС систем для IBM PC
14 ЦОС-алгоритмы, для эмуляции работы наиболее распространенных в эдерно-физическом эксперименте электронных блоков
15 Выводы к главе
2 Цифровой спектрометр для регистрации легких заряженных частиц, сопровождающих деление
21 Свойства CsI(Tl)
22 Изучение люминесцентных свойств кристалла
CsI(Tl) цифровыми методами
23 Применение кристалла CsI(Tl) в спектрометре для регистрации тройного деления
24 Изучение тройного деления 232Th
25 Выводы к главе
3 Цифровой спектрометр для регистрации мгновенных нейтронов деления
31 Установка для отработки алгоритмов получения амплитудных распределений и n-у разделения
32 Изучение отклика спектрометра
33 Разделение нейтронов и у-квантов
34 Время-пролетные измерения
35 Выводы к главе 4 Заключение Список литературы
Введение:
Почти все события деления сопровождаются эмиссией легких частиц, если принять во внимание нейтроны, испаряющиеся из осколков. Этот процесс вызывает наибольший интерес для понимания динамики процесса деления. Эмиссия легких частиц является поставщиком уникальной информации о ранних стадиях эволюции делящейся системы. Энергетические и угловые распределения частиц, сопровождающих деление, несут в себе наиболее прямую информацию о деформации и взаимном расположении осколков непосредственно в момент разрыва делящейся системы.
Для исследования данных событий традиционно используются системы из двух или более (АЕ+Е) полупроводниковых детекторов [1, 2]. Такая схема эксперимента обладает низкой светосилой, и нашла свое применение при спонтанном делении и делении под действием тепловых нейтронов, где можно обеспечить необходимую для анализа статистику. Кроме того, очевидным недостатком такой системы является высокий порог регистрации легкой частицы, который определяется полным ее поглощением в АЕ детекторе. Другим примером установок данного типа являются сложные многодетекторные устройства с большой эффективностью регистрации легкой частицы [3]. Детекторы этого типа прекрасно зарекомендовали себя, однако громоздкость и сложность таких установок делает невозможным их использование на пучках не только быстрых, но и тепловых нейтронов, а надежность и стабильность существующего на данный момент электронного оборудования ставят на этом пути принципиальный предел.
В то же время целый ряд ядер, делящихся исключительно быстрыми нейтронами, до сих пор остаются за рамками исследований. Особый интерес также вызывает зависимость выхода тройного деления от энергии возбуждения делящегося ядра, что возможно только при использовании быстрых нейтронов. В сотни раз более низкое сечение деления быстрыми нейтронами в сочетании с большим гамма фоном от нейтронной мишени и жесткими геометрическими ограничениями при работе на ускорителе приводит к необходимости разработки новых детекторных систем, отвечающих поставленным условиям.
При разработке новых методов регистрации частиц, сопровождающих деление, было осознано, что за последние годы не появлялось принципиально новых детекторов или электроники, которые позволили бы добиться качественного прогресса в экспериментальной ядерной физике. Наряду с этим происходит бурное развитие вычислительной техники и устройств дискретизации аналоговых сигналов, что позволяет принципиально изменить схему сбора и обработки экспериментальной информации. Кроме того, использование хорошо развитых математических методов, таких как Фурье анализ и метод наименьших квадратов, позволяет выделять из формы сигнала дополнительную, недоступную на сегодняшний день аналоговым методам информацию. Цифровые технологии были удачно применены в связи, звукозаписи, радиолокации. В настоящее время физики начали успешно их применять при проведении ядерно-физических экспериментов. Как аналоговый, так и цифровой методы направлены на получение определенной информации, содержащейся в форме сигнала. При аналоговой обработке сигнал проходит ряд электронных модулей, выполняющих с ним определенные манипуляции. Процесс обработки в этом случае необратим. С другой стороны, цифровые технологии позволяют воспроизвести алгоритмы работы аналоговых электронных модулей. К тому же цифровая обработка сигнала, по сравнению с аналоговой, имеет ряд преимуществ - слабая зависимость от факторов внешней среды, гибкость, компактность, большая информативность, повторяемость.
Некоторые прикладные задачи требуют аналоговых решений, так как быстродействие аналоговой электроники выше. Но, несмотря на меньшее быстродействие, при изучении таких редких событий, таких как тройное деление, применение цифровых технологий может оказаться эффективным.
В настоящей работе представлены результаты деятельности автора по разработке новых методов регистрации частиц сопровождающих деление, с использованием цифровых технологий обработки сигнала. А также опыт эксплуатации цифровых спектрометров в ядерно-физических экспериментах. Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка, создание и тестирование цифровых спектрометров предназначенных для регистрации частиц сопровождающих деление ядер. Исследования такого редкого явления, каковым является тройное деление, накладывает особые требования к надежности идентификации событий. Разработка методов цифрового подавления фонов особенно актуальная при проведении экспериментов в интенсивных полях быстрых нейтронов. Внедрение цифровых методов в экспериментальную ядерную физику позволило не только увеличить объем получаемой от детектора информации, но и принципиально улучшить ее качество, что позволило успешно провести ряд практических измерений вероятности тройного деления. Актуальность работы:
1) На основе технологии цифровой обработки сигналов разработан спектрометр, пригодный для регистрации частиц сопровождающих деление. Спектрометр обладает большой светосилой и способен эффективно работать в полях быстрых и тепловых нейтронов, позволяет получать информацию об энергиях и углах вылета и типе легкой частицы.
2) Повышение стабильности работы спектрометра - электронные элементы, входящих в состав модулей аналоговых спектрометров меняют свои характеристики в зависимости от условий окружающей среды (температура, влажность, напряжение сети) и времени их эксплуатации. При использовании цифровых технологий, используя программные приложения, заменяющие электронные модули, стабильность работы спектрометра возрастает.
3) Увеличение снимаемой со спектрометра информации — в аналоговой электронике практически все имеющиеся ресурсы уже задействованы. С использованием цифровых технологий появляется возможность на новом уровне проводить анализ формы импульса и извлекать из нее дополнительную информацию, с помощью математических методов.
4) Подавление фоновых событий - в методиках, базирующихся на аналоговой электронике, развиты мощные методы подавления фоновых событий. В то же время, используя такие свойства цифровой обработки сигналов, как программируемость и повторяемость, можно выделить фоновые сигналы, детально изучить их отличия от обычных сигналов и создать алгоритм их подавления, оптимально подходящий для данной спектрометрической установки.
5) Улучшение энергетического разрешения спектрометра - эта задача всегда является актуальной. Средствами аналоговой электроники нелегко улучшить этот параметр. Средствами цифровой обработки сигналов, сконструировав индивидуальный фильтр, можно улучшить энергетическое разрешение, например, за счет подавления помех.
6) Улучшение функции отклика детектора - средствами цифрового анализа формы сигналов можно попытаться выделить разные группы событий и за счет этого упростить функцию отклика спектрометра.
7) Обратимость обработки - аналоговый процесс обработки данных выполняется непосредственно в течение измерений и необратим. В случае ошибки при выборе параметров электронных блоков, из которых набирается спектрометр, происходит потеря информации. Цифровые технологии позволяют разнести во времени процесс накопления информации и ее обработки, и экспериментатор может проводить обработку неограниченное количество раз.
8) Выделение наложенных импульсов - в аналоговой электронике существуют различные схемы подавления наложенных импульсов. А цифровые технологии, кроме больших возможностей по поиску наложенных сигналов, при повторяемости обработки, учитывая индивидуальную, для данного детектора, форму сигналов, дают в руки экспериментатора возможность значительно повысить загрузочную способность спектрометра.
9) Изучение «предыстории» события - для экспериментатора становится доступна для анализа не только область самого сигнала, но и поведение нулевой линии в интервале времени, непосредственно предшествующий моменту наступления события.
Личный вклад автора: При непосредственном участии автора: 1) Спроектирован и изготовлен сцинтилляционный детектор на основе кристалла CsI(Tl). 2) Разработаны алгоритмы и написан ряд программ для накопления информации в ходе ядерно-физического эксперимента, с использованием оцифровщика формы импульса фирмы Le Cray 2262, фирмы Acqiris DPI 11 и ВАЦП. 3) Изучены люминесцентные свойства кристалла CsI(Tl). 4) Спроектирован и изготовлен сцинтилляционный детектор легких частиц на основе тонкого кристалла CsI(Tl) большой площади. Проведено изучение выходов тройного деления для спонтанного деления 252Cf и вынужденного деления 232Th. 5) Спроектирован и изготовлен цифровой спектрометр на основе стильбена. 6) Проведены тестовые измерения время-пролетных и амплитудных спектров нейтронов спонтанного деления Cf. 7) Написана библиотека подпрограмм для анализа формы импульсов от сцинтилляционных детекторов. Диссертация состоит из 3 глав.
В первой главе описаны основные требования, которыми руководствуются при выборе частоты и разрядности оцифровщика, а также длины цифровой осциллограммы в зависимости от конкретной физической задачи, стоящей перед экспериментатором. Приведены требования к программно-аппаратному обеспечению. Проанализированы и описаны требования к программированию систем сбора информации, обоснованы требования к модульности разрабатываемого программного оснащения. Описано созданное программное обеспечение для оцифровщика формы импульса LeCroy 2262 (стандарт САМАС), реализованное на ПК IBM PC с процессорами Intel 386, 486, Pentium, для различных операционных систем. Изложено созданное программное обеспечение к оцифровщику модели Acqiris DPI 11 (PCI стандарт), для операционной системы Windows 98, в программных средах Visual Basic и Visual С++. Определены алгоритмы, моделирующие принцип работы наиболее распространенных модулей, используемых при аналоговой обработке сигналов.
Во второй главе подробно описана конструкция изготовленного сцинтилляционного детектора на базе кристалла CsI(Tl). Приведена блоксхема электроники, включающая оцифровщик формы импульса модели LeCroy 2262. Приведены измеренные люминесцентные свойства кристалла CsI(Tl). Показано, что разработанный алгоритм анализа вклада быстрой компоненты позволил достичь в 2-3 раза лучшего разделения частиц по типу, по сравнению с аналоговым методом. Приводится описание канала регистрации длиннопробежных частиц сопровождающих деление, на базе кристалла CsI(Tl). Сцинтилляционный детектор использовался в качестве детектора длиннопробежных частиц, возникающих при тройном делении. Описана схема спектрометра, технология его сборки и тестирование. Приведены результаты детального изучения спектров легких частиц при
25 2 г* спонтанном тройном делении Сг, приведены результаты измерения выходов тройного деления 232Th быстрыми нейтронами с энергией 1,6 МэВ, 1,8 МэВ и 2,2 МэВ.
Третья глава посвящена разработке методики цифрового канала регистрации мгновенных нейтронов и у-квантов, сопровождающих деление, при помощи стильбена, с использованием оцифровщика формы импульса модели Acqiris DPI 11. Было показано, что созданный цифровой спектрометр позволяет проводить как амплитудные, так и временные измерения. Показано, что форма и качество сигналов сильно зависит от типа ФЭУ. Описана методика разделения нейтронов и у-квантов с помощью корреляционного анализа. Проведены тестовые измерения спектра мгновенных нейтронов, при спонтанном делении Cf Показано, что созданная по данной методике спектрометрическая установка, в счетном режиме, эффективно работает при пиковых загрузках до 100 МГц. Точность временной отметки составила 1 не.
Научная новизна: Впервые метод цифровой обработки сигнала применен при детектировании длиннопробежных частиц возникающих при тройном делении Cf и при вынужденном делении Th. Полученное цифровым методом качество разделения частиц по типу превосходит аналоговые методы в 1.5-2 раза. Впервые, с применением технологии цифровой обработки сигналов, измерены люминесцентные свойства кристалла CsI(Tl). Впервые разработан и использован метод корреляционного анализа цифровых сигналов от детектора на основе стильбена. Создан цифровой спектрометр, позволяющий улучшить качество экспериментальных данных (временное и энергетическое разрешение и разделение п от у - квантов). Впервые, с применением технологий цифровой обработки сигнала, были проведены измерения спектра мгновенных нейтронов, сопровождающих спонтанное деление 252Cf На защиту выносится:
1. Метод регистрации длиннопробежных частиц, основанный на использовании сцинтилляционного экрана из CsI(Tl) и оцифровщика формы импульса.
2. Метод регистрации нейтронов при помощи органического сцинтиллятора, основанный на цифровой обработке сигналов.
3. Метод определения люминесцентных свойств неорганических сцинтилляторов и результаты измерения времен высвечивания и вкладов различных компонент сцинтилляционной вспышки в кристалле CsI(Tl). Метод разделения частиц по типу, основанный на технологии цифровой обработки сигналов. I
4. Программное обеспечение для накопления экспериментальной информации от оцифровщиков разного типа, реализованное в разных операционных системах, с использованием возможностей локальных вычислительных сетей. Библиотека подпрограмм для анализа формы импульсов от сцинтилляционных детекторов. Апробация работы. Результаты, представляемые в диссертационной работе, докладывались на международной конференции в Братиславе (IYNC) 2000, на международных семинарах в Обнинске (International Workshop Nuclear Fission Physics) 1998, 2000, Дубне (ISINN) 2000, 2002, 2003, а также опубликованы в журналах, трудах конференций и препринтах института [33, 36, 68-75, 93, 95, 96, 100, 115-122, 126, 127, 137].
Примечание: В дальнейшем изложении диссертации, в спектрах ошибки являются статистическими и, во избежание загромождения рисунков, графически отображаться не будет.
