符合方法在脈沖幅度分析中的應(yīng)用

閆海霞，周冬亮，李 鋼，楊 斌

(黑龍江省原子能研究院，哈爾濱 150086)

0 引 言

符合是指在給定時(shí)間間隔內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)事件的現(xiàn)象。符合方法是一種利用一組事件的時(shí)間相關(guān)性來(lái)測(cè)量該組事件一個(gè)量或幾個(gè)量的方法。

一組事件的時(shí)間相關(guān)性是指這一組事件的各個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生或在一定的時(shí)間間隔內(nèi)相繼發(fā)生的現(xiàn)象，假如放射性原子核級(jí)聯(lián)衰變時(shí)先后放射出的粒子之間在時(shí)間上是相關(guān)聯(lián)的，一個(gè)高能粒子先后穿過(guò)兩個(gè)核輻射探測(cè)器，則兩個(gè)探測(cè)器先后探測(cè)到的兩個(gè)事件之間在時(shí)間上也是相關(guān)聯(lián)的，若把一個(gè)信號(hào)的各個(gè)參量分別作為一個(gè)事件，則這些參量形成一組事件，而這組事件在時(shí)間上具有相關(guān)性。

符合方法中使用的裝置稱(chēng)為符合裝置，由核輻射探測(cè)器和包括符合電路在內(nèi)的電子儀器所組成。符合電路也稱(chēng)為邏輯電路，通常采用門(mén)電路。符合電路一般設(shè)有兩個(gè)輸入端，一個(gè)是被測(cè)信號(hào)輸入端，也稱(chēng)為通過(guò)端，一個(gè)是符合信號(hào)輸入端，也稱(chēng)為控制端。當(dāng)兩路信號(hào)滿足某種時(shí)間關(guān)系時(shí)，允許被測(cè)信號(hào)通過(guò)的稱(chēng)為符合，不允許被測(cè)信號(hào)通過(guò)的稱(chēng)為反符合。反符合方法是用來(lái)剔除在時(shí)間上和待測(cè)量具有相關(guān)性的干擾事件或同時(shí)發(fā)生的無(wú)關(guān)事件對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的方法。

符合可分為真符合、假符合、偶然符合、瞬時(shí)符合、延遲符合和反符合等[1]。

符合技術(shù)在核物理實(shí)驗(yàn)和輻射測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。例如，測(cè)量放射性核素的活度，測(cè)定核衰變能級(jí)及壽命，測(cè)定基本粒子的平均壽命，測(cè)定各種核參數(shù)，核結(jié)構(gòu)的研究，角關(guān)聯(lián)的研究，宇宙射線的研究，確定入射粒子的方向和位置，選擇具有特定性質(zhì)的入射粒子，降低測(cè)量本底等。

1 核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)的特點(diǎn)

有些核輻射探測(cè)器，如正比計(jì)數(shù)器、閃爍探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等會(huì)輸出電壓脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)幅度很小，波形為尖頂脈沖，需要經(jīng)過(guò)線性脈沖放大器放大到足夠的幅度和成形后才能進(jìn)行量化處理和分析，這些脈沖信號(hào)在幅度上和時(shí)間上的分布各具有某種特殊性。

1.1 時(shí)間分布特性

核輻射探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)在時(shí)間上的分布是不均勻的，每個(gè)脈沖的出現(xiàn)時(shí)間具有偶然性。這是基于放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于某一放射性原子核在何時(shí)衰變是不確定的，無(wú)規(guī)律可循，是偶然的；但對(duì)多數(shù)原子核而言，其衰變服從指數(shù)衰減規(guī)律。相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔可長(zhǎng)可短，有偶然性。然而對(duì)多數(shù)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔也是有規(guī)可循的，時(shí)間間隔服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。

對(duì)于沒(méi)有固定時(shí)間間隔的事件，為了衡量在單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)脈沖信號(hào)的多少，通常用計(jì)數(shù)率來(lái)表示，在單位時(shí)間記錄到的脈沖數(shù)目稱(chēng)作計(jì)數(shù)率，常用n(cps)來(lái)表示。

1.2 幅度分布特性

對(duì)單一能量的入射輻射，核輻射探測(cè)器輸出的脈沖幅度大小是不相等的，參差不齊，有大有小。這是基于射線與物質(zhì)(探測(cè)介質(zhì))相互作用的效應(yīng)不同，射線可以把全部能量都消耗在探測(cè)介質(zhì)內(nèi)，也可以是部分能量消耗在探測(cè)介質(zhì)內(nèi)，因此產(chǎn)生輸出脈沖幅度上的差異，相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)幅度可能相同，也可能不同。

對(duì)于多種能量的入射輻射，在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，相鄰出現(xiàn)的脈沖屬于哪個(gè)能量純屬偶然，也就是說(shuō)兩個(gè)或多個(gè)相同能量的射線脈沖可能相繼出現(xiàn)，也可能是不同能量的射線脈沖相繼出現(xiàn)。雖然相鄰脈沖幅度可能有差異，但對(duì)多數(shù)脈沖來(lái)說(shuō)，其幅度分布也有規(guī)可循，脈沖幅度分布也服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。

一般來(lái)說(shuō)，核輻射探測(cè)器輸出的脈沖幅度與入射輻射的能量成正比，這就構(gòu)成了核能譜分析的基礎(chǔ)?；诜确植嫉慕y(tǒng)計(jì)規(guī)律，不同能量輻射能譜的峰值位置也不同，由此可作定性分析。

2 脈沖幅度甄別器

甄別器或鑒別器電路是核電子儀器中常用的電路，用來(lái)對(duì)探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)加以鑒別，包括脈沖幅度鑒別和脈沖波形鑒別。

脈沖幅度甄別器是能譜測(cè)量中不可缺少的電路，通常設(shè)有一個(gè)可調(diào)節(jié)的甄別閾電壓Vy，當(dāng)輸入脈沖幅度Uin

電壓比較器用作脈沖輻射甄別器可為使用帶來(lái)極大方便。電壓比較器有兩個(gè)輸入端，一個(gè)是同相輸入端(+)，另一個(gè)是反相輸入端(-)，還有一個(gè)輸出端。多數(shù)電壓比較器的輸出端是開(kāi)路的，輸出端須經(jīng)上拉電阻接到正電源上，以便輸出幅度與后續(xù)電路相匹配。

輸入脈沖信號(hào)Uin和甄別域Vy通常是分開(kāi)加在兩個(gè)輸入端上的，因此有兩種接法(圖1)，有兩種輸出極性，給使用帶來(lái)方便。一種接法是：Uin加在同相輸入端，Vy加在反相輸入端，輸出正極性脈沖(圖1a)；另一種接法是：Uin加在反相輸入端，Vy加在同相輸入端，輸出負(fù)極性脈沖(圖1b)。

圖1 電壓比較器輸入端的兩種接法Fig.1 Two kinds of connection methods of voltage comparator input

某些具體應(yīng)用中有時(shí)也可將輸入脈沖和閾電壓加在同一輸入端。

3 單道脈沖幅度分析器

連續(xù)改變幅度甄別器的閾值可以測(cè)出脈沖幅度分布的積分譜，但在能譜測(cè)量中，感興趣的是脈沖幅度分布的微分譜而不是積分譜。微分譜是在很小的閾值范圍△Vy范圍內(nèi)，測(cè)得的脈沖數(shù)目△N與Vy的關(guān)系曲線，單一甄別器不能實(shí)現(xiàn)。

3.1 脈沖幅度分析器的基本組成和功能

單道脈沖幅度分析器由兩個(gè)甄別器和反符合電路組成(圖2)。甄別閾低的叫下甄別器，甄別域高的叫上甄別器，其差叫道寬(Vk)。

圖2 單道脈沖幅度分析器基本組成框圖Fig.2 Basic frame of single channel pulse amplitude analyzer

單道脈沖幅度分析器功能是只允許輸入脈沖幅度落在兩閾值之間的脈沖可以產(chǎn)生輸出。輸入信號(hào)幅度相對(duì)上下甄別閾而言可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是UinVy+Vk，均可觸發(fā)上下甄別器，應(yīng)禁止輸出(圖3)，反符合電路的設(shè)計(jì)就是禁止超上閾脈沖的輸出。

圖3 單道脈沖幅度分析器輸入輸出關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship of the input and output of single channel pulse amplitude analyzer

3.2 反符合電路的設(shè)計(jì)思想

線性脈沖放大器輸出波形的特點(diǎn)是：上窄下寬，形似三角波，上升沿在時(shí)間上早于下降沿，隨著閾值的增加，脈沖寬度逐漸減小，因此甄別器的輸出脈沖寬度也逐漸減小，并且上甄別器的輸出脈沖前沿晚于下甄別器輸出的前沿并早于其后沿?；谏鲜銮闆r，可將輸入波形的上升沿和下降沿當(dāng)成兩個(gè)具有時(shí)間相關(guān)性的事件，并采集同一波形上升沿與上閾交點(diǎn)和下降沿與下閾交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)信息作為標(biāo)識(shí)信號(hào)。

圖4為反符合電路的組成框圖，包括上下甄別器、成形與延遲單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和反符合與非門(mén)。采用RS觸發(fā)器置位的方法進(jìn)行控制[2]。RS觸發(fā)器的置位(S)和復(fù)位(R)均為低電平有效，為此上甄別器采用負(fù)極性輸出的接法，為了一致，下甄別器也為負(fù)極性輸出。用下甄別器輸出脈沖的后沿(上升沿)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)成形電路，取其正脈沖輸出作為通過(guò)信號(hào)，即輸入脈沖后沿的標(biāo)識(shí)信號(hào)，加至反符合與非門(mén)的輸入信號(hào)通過(guò)端。用上甄別器輸出脈沖的前沿(下降沿)使RS觸發(fā)器置位，其輸出端加至反符合與非門(mén)的符合信號(hào)輸入(控制)端，它代表了輸入脈沖前沿的標(biāo)識(shí)信號(hào)。

圖4 反符合電路組成框圖Fig.4 Block diagram of anti-coincidence circuit composition

當(dāng)Uin

當(dāng)Vy

當(dāng)Uin>Vy+Vk時(shí)，上下甄別器都有輸出，上甄別器輸出的負(fù)脈沖前沿使RS觸發(fā)器置位，Q=0，為低電平，關(guān)閉反符合與非門(mén)，早于下甄別器的成形脈沖，禁止其通過(guò)，不能產(chǎn)生輸出，成形脈沖產(chǎn)生的延遲負(fù)脈沖使RS觸發(fā)器復(fù)位，Q=1，為下一輸入信號(hào)的到來(lái)做準(zhǔn)備。

圖5為輸入輸出波形圖。

圖5 RS觸發(fā)器置位反符合波形圖Fig.5 Diagram of inverse coincidence waveform of RS trigger setting

4 簡(jiǎn)單的實(shí)用電路

圖6為便攜式實(shí)用的單道脈沖幅度分析器，由4片集成電路構(gòu)成。上下甄別器由2個(gè)高速電壓比較器LM710組成。由負(fù)壓分壓器提供負(fù)值閾值Vy，由正壓分壓器提供正值電壓道寬Vk。正脈沖輸入信號(hào)和負(fù)閾值Vy同時(shí)加到2個(gè)比較器的反相端，Vk加到上比較器的同相端，由正壓分壓器提供的微小正電壓加到下比較器的同相端，以保證靜態(tài)時(shí)輸出端均為高電位，當(dāng)有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出端產(chǎn)生負(fù)脈沖。成形和延遲由1片雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。成形電路由下甄別器輸出的后沿(上升沿)觸發(fā)，由Q端輸出正脈沖作為反符合電路的通過(guò)信號(hào)，脈沖寬度tk由定時(shí)電阻Rt和定時(shí)電容Ct決定，tk=0.7RtCt，約1 μs。延遲電路由成形輸出正脈沖的后沿(下降沿)觸發(fā)，由Q端輸出負(fù)脈沖用于RS觸發(fā)器復(fù)位。把輸入端與非門(mén)中用2個(gè)門(mén)交叉連接構(gòu)成RS觸發(fā)器，另2個(gè)門(mén)串成反符合門(mén)。

圖6 實(shí)用的單道脈沖幅度分析器Fig.6 Practical single channel pulse amplitude analyzer

5 應(yīng)用與討論

采用RS觸發(fā)器置位的方法構(gòu)成的反符合電路與串接晶體管方法及D觸發(fā)器方法相比，工作穩(wěn)定可靠，并在脈沖幅度分析中得到了廣泛應(yīng)用。

該電路與其他相關(guān)設(shè)備相配合，通過(guò)標(biāo)定，測(cè)量Cs-137的活度，誤差小于±10%。誤差來(lái)自源誤差約±5%，統(tǒng)計(jì)漲落誤差±5%及峰位漂移誤差等。

反符合電路也可用于測(cè)量級(jí)聯(lián)輻射的活度，有利于排除非相關(guān)事件的本底干擾。