WYK£AD 14
Transkrypt
WYK£AD 14
147 WYKLAD 13 Oscyloskopy Rozwój przetworników analogowo-cyfrowych i metod szybkiego przetwarzania danych spowodował upowszechnienie się oscyloskopów cyfrowych. Częstości próbkowania w najlepszych modelach sięgają 10 GHz przy pasmach przenoszenia dochodzących do wielu gigaherców. W tańszych modelach, mimo powolnych przetworników analogowo cyfrowych (np. 20 MHz jak w najtańszym Zasada stroboskopowego próbkowania modelu HP) szerokie pasma przenoszenia sygnału. Impuls wyjściowy jest odtwarzany z (60 i więcej MHz) uzyskuje się dzięki wielu impulsów wejściowych próbkowanych w próbkowaniu stroboskopowemu. różnych chwilach czasu, w przeciwieństwie do Uniwersalny software (np. szybka próbkowania w czasie rzeczywistym, które transformata Fouriera - FFT) i możliwośc odbywa się na pojedynczym impulsie bezpośredniego połączenia z komputerem wejściowym, ale wymaga bardzo wysokiej czynią oscyloskopy cyfrowe najbardziej częstotliwości pracy przetwornika AC. uniwersalnymi urzadzeniami do badania kształtu powtarzalnego sygnału elektrycznego1. W ostatnich latach oscyloskopy cyfrowe wyparły z laboratoriów używane wcześniej do analizy sygnałów powtarzalnych boxcar’y (jednokanałowe uśredniacze analogowe) i transient digitizer’y (wielokanałowe uśredniacze analogowe). Oscyloskopy analogowe pełnią obecnie w laboratoriach jedynie funkcje pomocnicze. Wyposażenie dodatkowe oscyloskopów Wraz z oscyloskopem producenci dostarczają zwykle wyposażenie dodatkowe, poszerzające jego możliwosci pomiarowe. Do podstawowego wyposażenia należą oporniki dopasowujące i sondy. Oporniki przeznaczone są do dopasowania wejścia oscyloskopu o wielkim oporze (zwykle 1 MΩ) do impedancji falowej linii doprowadzającej sygnał (50Ω). Montuje się je najczęściej w obudowach z przejściami koncentrycznymi. W wielu konstrukcjach rezystancję wejściową oscyloskopu wybiera się za pomocą odpowiedniego przełącznika umieszczonego na płycie czołowej. Sondy bierna i czynna służą do badania sygnałów pochodzących ze źródeł o wielkiej impedancji. Bezpośrednie włączenie takiego źródła do oscyloskopu za pomocą kabla powoduje zniekształcenie sygnału, gdyż rezystancja wyjściowa badanego układu tworzy wraz z pojemnością wejściowa oscyloskopu i pojemnością kabla filtr dolnoprzepustowy zawężajacy pasmo częstotliwości przenoszonych sygnałów. Oscyloskop cyfrowy jest idealnym układem pomiarowym do badania również sygnałów o tak małej częstotliwości powtarzania (<<1 Hz) , że nazywa się je sygnałami pojedynczymi. 1 148 Jednym ze sposobów uniknięcia takiego zmniejszenia częstotliwości granicznej układu pomiarowego jest zastosowanie pojemnościowo skompensowanego dzielnika napięcia. Zrealizować go mocna za pomocą sondy biernej. Rezystancja wejściowa sondy wynosi zwykle 10-100 MΩ. Pojemność pasożytnicza Cpk bocznikująca rezystancję wejściową oscyloskopu kompensowana jest przez zastosowanie zmiennego kondensatora CS włączonego równolegle do opornika RS. Przy odpowiednim dobraniu wartości CS stosunek podziału dla tego układu nie zależy od częstotliwości sygnału. Dzięki temu sygnał dociera do oscyloskopu bez zniekształceń, choć z odpowiednio mniejszą amplitudą. Łatwo jest obliczyć optymalną wartość CS , wychodząc z założenia, że nowo powstały dzielnik powinien dzielić napięcie zmienne w stopniu podobnym jak dzielnik bez pojemności. Sondy bierne, ze strojona pojemnością C montowane w niewielkich obudowach z Sposób dobierania optymalnej pojemności wyprowadzonym kablem łączącym je z sondy biernej za pomocą testującego oscyloskopem. Końcówki wejściowe sondy wyposaża sygnału prostokątnego. się w uniwersalne chwytaki niewielkich rozmiarów pozwalające na łatwe podłączenie jej do badanego obwodu. Optymalną wartość CS dobiera się za pomocą sygnału testującego o kształcie prostokątnym. Zastosowanie sondy biernej powoduje zmniejszenie amplitudy sygnału. Wady tej nie ma sonda wtórnikowa (tzw. aktywna lub czynna), Stanowi ją wzmacniacz wtórnik napięciowy o wielkiej rezystancji wejściowej (1-100 MΩ), charakteryzujący się także niewielką pojemnością wejściową (4-8 pF) i częstotliwością graniczną przekraczającą nawet 1 GHz. Sonda montowana jest w niewielkiej obudowie metalowej połączonej z oscyloskopem kablem sygnałowym i zasilającym. Wyjście jej dopasowane jest do impedancji falowej kabla sygnałowego. Dzięki temu możliwy jest pomiar szybkich sygnałów pochodzących ze źródeł o wielkich rezystancjach, bez wprowadzania zniekształceń i bez zmniejszenia amplitudy napięcia. Do pomiaru sygnałów o amplitudach od setek do dziesiątków tysięcy woltów stosuje się sondy rezystorowe - dzielniki napięcia wykonane z oporników wysokonapięciowych, tłumiące sygnał zwykle od 10 do 1000 razy. Pasmo przenoszenia niektórych z tych sond dochodzi do 4 GHz. 149 Przyrządy pomiarowe w fizyce jądrowej Wielokanałowy analizator amplitudy . W doświadczeniach z zakresu fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych i dziedzin pokrewnych odpowiedzi detektorów maja zwykle postać impulsów o różnych amplitudach. Najważniejszym przyrządem służącym do analizy takich sygnałów jest wielokanałowy analizator amplitudy (nazwy angielskie: multichannel analyzer, pulse height analyzer). Badany impuls doprowadzany jest do detektora szczytowego, który na wyjściu wytwarza napięcie stałe, proporcjonalne do amplitudy impulsu wejściowego. Napięcie to podlega następnie przetwarzaniu na postać cyfrową przy użyciu szybkiego przetwornika analogowo-cyfrowego. Binarne słowo wyjściowe przetwornika stanowi adres odpowiedniej komórki w pamięci. Po wywołaniu tej komórki jej zawartość jest zwiększana o jeden. Następnie wyzerowuje się detektor szczytowy i układ jest gotowy do przyjęcia kolejnego impulsu. W ten sposób, po przebadaniu serii impulsów, w pamięci urządzenia powstaje histogramowy rozkład ich amplitud. Współczesne analizatory pozwalają na badanie ciągu impulsów powtarzanych z częstotliwością ponad 500 MHz. Trudno jest przecenić role tego przyrządu. Amplituda impulsów pochodzących z detektorów promieniowania, takich jak liczniki proporcjonalne, detektory półprzewodnikowe, liczniki Showera, komory scyntylacyjne itd.. jest proporcjonalna do energii rejestrowanych cząstek. Dzięki zastosowaniu analizatora wielokanałowego otrzymuje się wiec w prosty sposób widmo energii promieniowania. Elastyczna konstrukcja tego przyrządu pozwala na wszechstronne dostosowanie go do różnych celów. Poniżej przedstawiono schemat doświadczenia, w którym analizator wielokanałowy wykorzystano do pomiaru czasu połowicznego rozpadu jąder w pewnej próbce. Przyrząd ten bywa wtedy nazywany multiscalerem. Pomiar polega na zliczaniu impulsów pochodzących z detektora w ciągu następujących po sobie jednakowych odcinków 150 czasu o ustalonej długości. Po upływie każdego przedziału czasu wynik zapisywany jest w kolejnych kanałach pamięci urządzenia. Przy odpowiednim oprogramowaniu systemu czas połowicznego rozpadu wyznaczany jest automatycznie. Przetwornik czas - amplituda Ważnym przyrządem elektroniki jądrowej jest przetwornik czas-amplituda (TACTime to Amplitude Converter). Jest to generator napięcia piłokształtnego uruchamiany za pomocą impulsu dostarczanego na wejście WE1 i zatrzymywany, gdy na wejściu WE2 pojawi się drugi impuls.Układ ten wytwarza wiec impulsy o amplitudach proporcjonalnych do czasu miedzy włączeniem i wyłączeniem generatora z rozdzielczością subnanosekundową. Obok pokazano wykorzystanie analizatora wielokanałowego i TAC do badania rozkładu prędkości cząstek promieniowania zdolnych przenikać przez detektory bez znaczących strat. Za pomocą systemu dwu detektorów (D1 i D2) i układu TAC czas przelotu cząstki na odcinku D1D2 zamieniany jest na impuls o proporcjonalnej amplitudzie. Wiązka promieniowania powinna mieć na tyle małe natężenie, by w każdej chwili na odcinku D1D2 151 znajdowała się co najwyżej jedna cząstka. W wyniku analizy przebiegu wielu cząstek w pamięci zastosowanego do detekcji wielokanałowego analizatora amplitudy zostaje wytworzony rozkład czasów przelotu, który z łatwością mocna przekształcić na rozkład prędkości lub energii cząstek. Systemy tego typu stosowane są na przykład w spektrometrach masowych działających na zasadzie pomiaru czasu przelotu. Działające podobnie do przetwornika TAC urządzenie, generujące na wyjściu słowo wielobitowe reprezentujące liczbę proporcjonalną do długości odcinka czasu miedzy dwoma impulsami nosi nazwę przetwornika czas - liczba (TDC - Time to Digit Converter). Bramki koincydencyjne i dyskryminatory W przypadku sygnałów impulsowych podstawowymi metodami eliminacji przebiegów niepożądanych (impulsów szumowych) są dyskryminacja i koincydencja. Układ koincydencyjny jest bramką analogową. Po dostarczeniu do jej wejścia sterującego impulsu wyzwalającego przenosi ona sygnały analogowe od wejścia do wyjścia w przedziale czasu ustalonym przez użytkownika. Odwrotnie pracują układy antykoincydencyjne, w których impuls wyzwalający powoduje zablokowanie przenoszenia na określony czas. Bramki koincydencyjne i antykoincydencyjne pozwalają wyselekcjonować z ciągu wielu impulsów tylko sygnały skorelowane czasowo z przebiegiem synchronizującym, tzw. triggerem. Dla zapewnienia koincydencji oraz dla kompensacji bezwładności złożonych układów pomiarowych często niezbędne jest stosowanie Dyskryminator progowy. regulowanych linii opóźniających. Dyskryminator progowy wytwarza impuls wyjściowy wtedy, gdy amplituda impulsu wejściowego jest większa niż ustalony poziom napięcia U1. Użycie dwu dyskryminatorów i bramki antykoincydencyjnej umożliwia realizację dyskryminatora okienkowego, czyli układu sygnalizującego, że amplituda impulsu wejściowego jest zawarta miedzy dwoma wartościami napięcia U1 i U2 . Zwykle czas trwania impulsów wyjściowych ∆t może być regulowany. Istnieją także dyskryminatory o Dyskryminator nazwie constant fraction, które wytwarzają impuls wyjściowy w chwili, okienkowy gdy na zboczu impulsu wejściowego napięcie przekroczy założony ułamek amplitudy. Poniżej przedstawiono schemat doświadczenia, w którym korzysta się z opisanych powyżej układów. 152 Badany jest rozpad γ jąder 60Co, który może nastąpić różnymi kanałami, miedzy innymi na skutek jednoczesnej emisji dwóch kwantów promieniowania. Są one na ogół emitowane z rozpadającego się nuklidu w różnych kierunkach pod katem θ względem siebie. W doświadczeniu wyznaczany jest rozkład prawdopodobieństwa emisji tych fotonów jako funkcja kąta θ. Zastosowano detektory o odpowiedzi proporcjonalnej do energii kwantów. Detektor D1 wykrywa fotony o większej energii (fotony γ1). Dzięki zastosowaniu na jego wyjściu dyskryminatora o odpowiednio wysoko ustawionym progu impulsy tego dyskryminatora sterują bramka koincydencyjną, przez którą przepuszczane są sygnały z detektora D2. Dzięki koincydencji do analizatora docierają tylko sygnały wywołane przez kwanty γ2 skorelowane czasowo z kwantami γ1 rejestrowanymi przez detektor D1. Inne impulsy z Widmo proste (a) i widmo koincydencyjne (b) detektora D2, a wiec wywołane rejestrowane przez analizator wielokanałowy w przez inne rozpady lub na opisywanym doświadczeniu. przykład przez promieniowanie tła czy szumy układu, są eliminowane. Obok porównano widma rejestrowane w analizatorze wielokanałowym w przypadku braku układu koincydencyjnego i po jego zastosowaniu. 153 Liczniki fotonów i pojedynczych cząstek naładowanych Do pomiarów najsłabszych strumieni światła - pojedynczych fotonów - stosuje się fotopowielacze. Fotopowielacze mają najczęściej postać zamkniętej banki szklanej (niekiedy ceramicznej), z której odpompowano powietrze aż do uzyskania wysokiej próżni. Tuż za okienkiem bańki znajduje się fotokatoda (FK), czyli elektroda pokryta substancjami fotoemisyjnymi. Pod wpływem padających fotonów w wyniku zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego z powierzchni fotokatody uwalniane są elektrony. Zakres widmowy działania fotopowielacze zależy od materiału fotokatody i rodzaju okienek; rozciąga się od ultrafioletu do fal o długościach około 1,1 µm 2. Wydajność kwantowa fotokatody (prawdopodobieństwo emisji elektronu na jeden foton) jest zależna od długości fali promieniowania, lecz nie przekracza 30%. W większości typów współczesnych fotopowielaczy katoda wykonana jest bezpośrednio na okienku. Poza nią wewnątrz fotopowielacza znajduje się układ elektrod zwanych dynodami (D1 ... Dn ) oraz anoda (A). Dynody są pokryte substancją o wysokim współczynniku emisji wtórnej elektronów. Kolejne dynody maja coraz wyższy potencjał w stosunku do fotokatody. Napięcia miedzy nimi sięgają kilkuset woltów. Całość jest zasilana ze źródła wysokiego napięcia za pomocą odpowiedniego dzielnika napięciowego. Działanie fotopowielacza jest następujące: elektron uwolniony z katody w wyniku zaabsorbowania przez nią fotonu ulega, w polu elektrycznym panującym miedzy fotokatodą i pierwszą dynodą, przyspieszeniu do energii kilkuset elektronowoltów i uderza w tę dynodę. Dzięki zjawisku emisji wtórnej następuje wybicie z powierzchni dynody pewnej liczby elektronów (średnio od 2 do 5 na jeden elektron padający). Elektrony te są przyspieszane w polu elektrycznym miedzy D1 i D2 i uderzają w powierzchnie dynody D2, na której znowu następuje powielenie liczby elektronów itd.. Wytworzona w ten sposób chmura ładunku dociera do anody i jest rejestrowana w obwodach wyjściowych jako impuls prądowy. Liczba dynod w fotopowielaczach o dużej czułości dochodzi do 14, a maksymalne wzmocnienia przekraczają 107. Pochodzący od jednego fotonu impuls wyjściowy na oporze obciążenia 2 Ostatnio pojawiły się fotopowielacze z katodami, których zakres spektralny sięga 1.8 µm. 154 50 Ω ma amplitudę rzędu kilku-kilkudziesięciu miliwoltów i kilkunanosekundowy 3 czas trwania. Często stosuje się powielacze o mniejszym stopniu wzmocnienia, a niezbędną amplitudę impulsu wyjściowego uzyskuje się przez sprzężenie wyjścia detektora z szybkim wzmacniaczem ładunkowym. Kształt impulsu jednofotonowego na obciążeniu 50 Ω i kształty sygnału wielofotonowego na obciążeniu pojemnościowym. Przy pomiarze wolnozmiennych, słabych strumieni światła zwykle stosuje się pojemnościowe obciążenie fotopowielacza. Przy dużej rezystancji wejściowej urządzenia mierzącego rozwiązanie takie pozwala uzyskać sygnał proporcjonalny do średniego natężenia oświetlenia fotokatody. W tych warunkach fotopowielacze można z pewnym przybliżeniem uważać za źródło prądowe. Podobną konstrukcję mają powielacze elektronowe przeznaczone do rejestracji słabych strumieni cząstek naładowanych. Są pozbawione fotokatody, zawierają tylko układ dynod i anodę. Obudowa powielacza zakończona jest zwykle uniwersalnym kołnierzem, pozwalającym na łatwe przyłączenie go do układu próżniowego, w którym mają być wykrywane swobodne ładunki. Liczne zjawiska powodują powstanie w fotopowielaczu także sygnałów nie związanych z efektem fotoelektrycznym na powierzchni katody tak zwanych zliczeń ciemnych. Przyczyną ich są na przykład fluktuacje termiczne prowadzące do emisji elektronów. W dobrym fotopowielaczu o niewielkiej katodzie liczba zliczeń ciemnych wynosi około 20 na sekundę w temperaturze pokojowej. Obniżając temperaturę można radykalnie zmniejszyć szumy fotokatody do kilku na minutę. Optymalna temperatura pracy fotopowielacza zależy od rodzaju fotokatody. Utrzymanie właściwej temperatury zapewniają odpowiednie chłodziarki wykorzystujące zjawisko termoelektryczne, lub chłodzone suchym lodem czy ciekłym azotem. Impulsy ciemne (prąd ciemny) mogą powstawać również na skutek termoemisji zachodzącej na powierzchni dynod. Na ogół charakteryzują się one amplitudą tym mniejsza, im bardziej oddalona od fotokatody była dynoda, z której nastąpiła emisja. Mniej istotnymi szumami są tzw. afterpulsy, czyli sygnały pojawiające się po impulsie elektronowym, W fotopowielaczach z płytkami mikrokanałowymi czas trwania impulsów jednofotonowych może wynosić 10-10 s. 3 155 pochodzące od zjonizowanych gazów resztkowych. Jeszcze mniej prawdopodobne są impulsy wywołane promieniowaniem kosmicznym lub resztkowym promieniowaniem materiałów, z których powielacz został wykonany. Rozkład szumów fotopowielacza przedstawiono powyżej. Na krzywej A duża liczba zliczeń o niewielkich amplitudach związana jest z termoemisją z dynod. Większą amplitudą (pełnym wzmocnieniem), lecz mniejszym prawdopodobieństwem wystąpienia charakteryzują się zliczenia ciemne pochodzące z fotokatody. Stosunkowo największe amplitudy mają rzadkie impulsy wywołane promieniowaniem tła. Krzywa B prezentuje rozkład amplitud impulsów wyjściowych fotopowielacza wywołanych fotonami (krzywa wzmocnienia). Ponieważ zjawisko emisji wtórnej jest efektem statystycznym, opisujący je współczynnik (liczba elektronów wybitych z dynody na jeden elektron padający) ulega zmianie od przypadku do przypadku i operować można tylko wielkością średnia. Prawdopodobieństwo całkowitego wzmocnienia opisywane jest wiec w przybliżeniu rozkładem Poissona. Zarówno charakterystyka szumowa jak i krzywa wzmocnienia mają indywidualny kształt dla każdego fotopowielacza Na rysunku obok przedstawiono rozkłady amplitud impulsów wyjściowych, jakie mocna otrzymać za pomocą wielokanałowego analizatora amplitudy dla różnych fotopowielaczy w przypadku słabego oświetlenia katod. Krzywa A charakteryzuje fotopowielacz o niewielkich szumach i wyraźnie wydzielonym tak zwanym piku jednofotonowym, wywołanym wejściowym strumieniem światła. Przy silniejszym oświetleniu obserwuje się także pik dwufotonowy, o maksimum przesuniętym w kierunku większych napięć. Wykorzystanie tego detektora do zliczania pojedynczych cząstek wymaga jednak zastosowania dyskryminatora okienkowego. Progi dyskryminacji, oznaczone na omawianym rysunku pionowymi liniami, należy ustawić tak, by jak najskuteczniej wyeliminować szumy, nie zmniejszając jednocześnie zbytnio czułości układu pomiarowego. Krzywa B charakteryzuje fotopowielacze o dużych szumach i słabo odróżnialnym piku jednofotonowym. Zastosowanie tego detektora do zliczania fotonów jest raczej problematyczne, jednak nadaje się on do pomiaru słabych strumieni światła w układach, w których stały poziom szumów moce być łatwo wyeliminowany, na przykład przy badaniach impulsów promieniowania lub w pomiarach z zastosowaniem metody uzmienniania sygnału 156 Należy pamiętać, że choć wzmocnienie fotopowielacza zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia zasilającego jego dzielnik, to zwiększanie czułości tego detektora przez stosowanie napięcia większego od pewnej wartości jest niecelowe, gdyż liczba zliczeń ciemnych rośnie wtedy znacznie szybciej i następuje pogorszenie stosunku sygnału do szumu W takim wypadku korzystniejsze jest zwiększenie czułości układu przez zastosowanie przedwzmacniacza. Powyżej pokazano schemat blokowy układu do zliczania pojedynczych fotonów. Składa się on z przedwzmacniacza, dyskryminatora okienkowego (pełniącego role ogranicznika szumów) i licznika. W najprostszym rozwiązaniu licznik służy do gromadzenia informacji o liczbie fotonów. Zwykle aparatura tego typu jest wyposażona także w układy do wyznaczania histogramu impulsów wyjściowych powielaczy4. Do pomiarów ciągłych strumieni światła stosuje się układ cyfrowego detektora synchronicznego, ktory współpracując z modulatorem pozwala zredukować zliczenia ciemne (lock-in mode). Natomiast przy pomiarach światła ze źródeł impulsowych wykorzystuje się metodę bramkowania czasowego. Stosując małą szerokość bramki czasowej (np. do około 10 ns) przy dużych częstotliwościach powtarzania impulsów synchronizujących (np. 10 MHz) i używając fotopowielacze o niewielkich szumach (kilka zliczeń ciemnych na minutę), mocna uzyskać bardzo duży stosunek sygnału do szumu (rzędu 108). W wielu doświadczeniach zastosowanie znajdują kanalikowe powielacze elektronowe zwane channeltronami. Zbudowane sygnałów z materiału izolacyjnego w kształcie rurki pokrytej od wewnątrz substancją charakteryzującą się wysokim współczynnikiem emisji wtórnej.Układ zasilany jest napięciem rzędu kilku kilowoltow. Dzięki dużemu oporowi właściwemu materiału powielacza powstaje wzdłuż niego pole elektryczne, w którym elektrony ulęgają wydajnemu przyspieszaniu. Podczas przebiegu przez channeltron zderzają się one wielokrotnie z jego ściankami, przy czym na skutek emisji wtórnej ich liczba szybko rośnie. Wzmocnienia uzyskiwane w tych powielaczach nie są mniejsze niż w powielaczach dynodowych, natomiast średnice channeltronow mogą być submilimetrowe Istnieje możliwość zastosowania oscyloskopu cyfrowego wraz z komputerem jako licznika fotonów. 4 157 . Wykorzystując macierze powielaczy kanałowych - tak zwane płytki mikrokanałowe 5 (microchannel plates) wytwarza się wzmacniacze obrazu o dużej czułości, które poza licznymi innymi zastosowaniami bywają Mikrokanałowy wzmacniacz obrazu używane zamiast tradycyjnych fotopowielaczy. Najnowocześniejsze fotopowielacze z płytkami mikrokanałowymi charakteryzują się zdolnością do zliczania pojedynczych fotonów i bardzo krótkim czasem narastania impulsów wyjściowych - rzędu 130 ps. Innymi detektorami światła zdolnymi zliczać pojedyncze fotony są fotodiody lawinowe. Ich spektralne pasmo czułości sięga od 200 do 1200 nm (λmax≈900 nm). Sposób pomiaru impulsów fotonowych jest podobny jak przy rejestracji sygnału z fotopowielaczy. 5 Płytki mikrokanałowe stosuje się obecnie często w miejsce tradycyjnych powielaczy elektronowych do wykrywania pojedynczych cząstek naładowanych.