Устройство съема аналоговой информации с многоканальных детекторов ионизирующего излучения

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ( 9) ( 1) нои опЕЕЕ3,НАЛОГОВОЙ ХДЕТЕКТОРОВ содержаов элемент первый: тов хранеорых ключей из К каналовУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Ленинградский институт ядерфизики им. Б.П.Константинова(56) 1. З.Сцрегця К.Мог 8 айо,"А Мц 1 ггы 1 ге СЬавЬег Буя 1.ев Гог Неачу,)Веав Моп 1 гогдп 8 аг гпе ВЕЧАЬИ"," 1Тгаця оп Ицс 1. Бсд. Чо 1. Ю, У1975, р, 1561.2. 1,Ье 1)гапя апс 1 К.МагЬечгоп,"Мц 1 г,Ьтдге Ргорогг 1 опа 1 СЬавЬегя Ояейапй Апа 1 ояце Моде Гог Веав Ргог 11 е апГ 1 цх Меаяцгевепгя",Нцс 1. Чо 1, 97,9 1, 1971, р. 187,3. Б.П 1)абзац апй Т.Ьцпй 1 ав,"КеайоцТесЬпщцея Гог .)опдяагь.оп Уояя Еавр 1 гп 8 Регесгогя" 1 ЕЕЕ Тгапя оп Мцс 1.Бс 1 Чо 1. Н 8-25, М 2, 1978, р.944(54) (57) УСТРОЙСТВО СЪЕМА А ИНФОРМАЦИИ С МНОГОКАНАЛЬНЬ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, щее в каждом из К канал накопления - конденсатор ключ, усилитель, )1 элеме ния - конденсаторов, Н в а также общие для группы 4(5 С 01 Т 1/Н 01 Л 47 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжение - код и блок управления ключами, причем элемент накопления и первый ключ соединены параллельнои одним концом присоединены к шине с нулевым потенциалом, а другим - к соответствующему входу устройства и к входу усилителя, каждый из М вторых ключей соединен пбследовательно с соответствующим элементом хранения,М копцов вторых ключей соединены между собой и образуют общую точку вторых ключей, а К,) концов элементов хранения соединены между собой и образуют общую точку элементов хранения, К управляющих входов первых ключей и ,)1 управляющих входов вторых ключей соединены с соответствующими выходами %фблока управления ключами, о т л и - С ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства при одновременном повышении его точности и чувствительности, в него введен общий дляч аай группы из К каналов третин ключ, присоединенный одним концом к общей точке элементов хранения и к входу АЦП, другим - к шине с нулевым потенциа лом,а управляющим входом - к дополни- ВЬ тельному выходу блока управления Ж ключами, кроме того, общая точка 1 вторых ключей в каждом канале присоеинена к выходу усилителя.Изобретение относится к ядерцому приборостроению и может быть использовано н системах автоматизации съема аналоговой информации с многоканальных детекторов ионизирующего из лучения (например, мцогоцитяных иоцизационных и пропорциональных, камер, камер вторичной эмиссии и др.), в частности в автоматизированных системах контроля пучков ускорителей,Извес.тно устройство съема аналоговой информации с многонитяных пропорциональных камер, используемое в системе,мониторировация пучков, содержащее в каждом из К каналов коцден сатор, а также общие для всех каналов К -входной ацалоговый коммутатор, ключ и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжение - код, причем, конденсатор присоединен одним концом 20 к шине с нулевым потенциалом, а другим - к соответствующему входу чстройства и к соответствующему входу К-входового аналогового коммутатора, ключ одним концом присоединен к шине с нулевым потенциалом, а другимк выходу коммутатора и ко входу АЦП напряжение - кодНедостатком устройства является недостаточная точность и чувствительность. Необходимое для повьцнения Чувствительности устройства уменьшение емкостей конденсаторов снижает точность измерений, так как приводит к уменьшению постоянной времени хране- З ния зарядов, Кроме того, технологический разброс емкостей конденсаторов приводит к соответствующим неоднородностям масштаба преобразования в различных каналах устройства и для 4 О повышения однородности измерений необходим предварительный отбор емкостей. Известно устройство сьема аналоговой информации с многонитяцых пропор 45 циональных камер, содержащее в каждом канале соединенные последовательно усилитель и АЦП напряжение - код, причем вход усилителя является входом устройства, а интегрирующая ей-50 кость образована емкостью нити камеры и входной емкостью усилителя 2 .В этом устройстве предусмотрена коррекция масштаба преобразования в каждом канале, которая выполняется регулировкой коэффициента передачи усилителя по напряжению. Однако устройство имеет недостаточную точность,так как смещение цулц усилителя, егс ра зброс и дрейф цепосрдственцо входят в результат измерения. Кром того, отсутствие элементов хранения аналоговой информации приводит к и- обходимости использования АЦП в каждом канале, что в ряде случаев цеоправданно усложняет устройство,Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство съема аналоговой информации с многоканальных детекторов ионизирующего излучения, содержащее в каждом из каналов элемент накопленияконденсатор, первый ключ, усилитель,аналоговый переключатель, М вторыхключей, И элементов хранения - конденсаторов, а также ЛЦП напряжениекод и блок управления ключами, причем элемент накопления и первый ключсоединены параллельно друг другу иодним концом присоединены к шине снулевым потенциалом, а другим - квходу устройства и входу усилителя,каждый из М вторых ключей соединенпоследовательно с соответствующимэлементом хранения, Н других концовэлементов хранения присоединены кшине с нулевым потенциалом, а и других концов вторых ключей соединенымежду собой и через аналоговый переключатель присоединены к выходу усилителя и ко входу ЛЦП, выходы блокауправления ключами соединены с управляющими входами первого ключа, вторых ключей и аналогового переключателя.Многоканальное устройство содержит К таких каналов,В этом устройстве элементы, реализующие функцию накопления и функциюхранения, разделены буферным усилителем, что позволяет повысить чувствительность устройства, уменьшая емкость конденсатора элемента накопления. Наличие п элементов храненияпозволяет К раз осуществить выборкусигнала с высоким быстродействием.Однако данное устройство является сложным, так как содержит относительно большое число аналоговых ключей, а также содержит АЦП в каждомканале. Для использования же одногоАЦП на группу из К каналов дополнительно потребуется введение К -входного аналогового коммутатора. При этомизвестное устройство имеет недостаточную точность. Это объясняется тем,чтоа р 5 женс 1 есни 5у 5а н) - ходе усилителя, его ра брос от канала к каналу и дреиф непосредственно Вход 51 т в ре. у ль тат и Злереия .Кроме того, если не принять специ альные меры по балансировке нуля усиь.ителей, то сужается динамический диапазон измерений, При этом также ограничивается коэффициент передачи усилителей по напряжению, а следова тельно, чувствительность устройства.Цель изобретения - упрощение. Уст-ройства при одновременом повышенйи его точности и чувствительности. счет исключения натяжеи смещениянуля на выходе усилителя из результата измерения и уменьшения влияния егодрейфа. Вследствие этого также упрощены требования к балансировке нуляусилителей, повышена чувствительностьустройства за счет увеличения коэффициента передачи усилителей по напряжению,На чертеже представлена схема устройства съема аналоговой информациис многоканального детектора ионизируюцего излучения.Устройство состоит из К каналов 1,каждый из которых содержит элемент 2накопления - первый конденсатор, первый ключ 3, усилитель 4, й вторыхключей 5 (на чертеже - К,1, К,2К,й) и й элементов 6 хранения - вторых конденсаторов, а также из общихдля К каналов третьего ключа 7, ЛЦП 8напряжение - код, блока 9 управленияключами, шин 1 О, 11, 12 управленияклочами, шин 13 ввода сигцалч выборки и шин 14 ввода команд управления.Входами устройства являются входыканалов 1, подключенные к источникам тока, например, непосредственно.к сигнальным электродам детектора,а выходом - цифровой выход АЦП 8 (начертеже не показан), Первый конденсатор 2 и первый ключ 3 соединены параллельно и присоединены одним концом кшине с нулевым потенциалом, а другим -к входу соответствующего канала устройства и к входу усилителя. 4. Каждыйизвторых ключей 5 соединен последовательно с соответствующим вторымконденсатором 6. 8 концов вторых ключей 5 присоединены к выходу усилителя 4, а К Н концов вторых конденсаторов 6 присоединены к одному из концовтретьего ключа 7 и ко входу АЦП 8.Второй конец третьего ключа 7 присоединен к шине с нулевым потенциалом,Управляющие входы первых ключей 3одной шиной 10, управляющие входывторых ключей 5М шинами 11. и управляющий вход третьего ключа 7 однойшиной 12 соединены с соответствукщими выходами блока 9 управления ключами. Блок 9 управления ключами - этоцифровое устройствд, обеспечивающеезаданный порядок коммутации ключей,и его структура определяется алгоритмом работы ключей.Блок 9 управления ключами содержисчетчик и электрически программируе 1088499мое ПЗУ с числом адресов равным К Й ++Я+2 (число необходимых состояний устройства) и разрядностью К й +2 (чис -ло шин управления ключами). При этомможно выделить четыре состояния устройства: стирание (одно состояниевсе первые ключи 3, все вторые ключи5 и третий ключ 7 замкнуты); хранение(одно состояние - все первые ключи 3и третий ключ 7 замкнуты, а все вторые ключи 5 разомкнуты); запись (Й -состояний - все первые ключи 3 разомкнуты, один из 0 вторых ключей 5 вкаждом канале 1 замкнут, третий ключ7 замкнут); считывание (Щ состояний 15все первые ключи 3 замкнуты, один изК в вторых ключей 5 замкнут, третийключ 7 разомкнут).Устройство работает следующим образом. 20По команде "Стирание"поступающейна блок 9 управления ключами по шинам 14, замыкаются все первые ключи3, все вторые ключи 5 и третий ключ1. При этом заряды на конденсаторах 25элементов 2 накопления и элементов 6хранения приводятся к некоторым исходным значениям,Предполагаем, что в состоянии хранения, которое следует за стиранием, 30заряды на конденсаторах элементов бхранения не изменяются. Переход всостояние хранения осуществляется замыканием всех первых ключей 3, размыканием всех вторых ключей 5 и раз.мыканием третьего ключа 7.По команде Запись", поступающейна блок 9 управления ключами по шинам 14, и сопровождающейся сигналомвыборки на шине 13, размыкаются все.первые ключи 3, замыкается третийключ 7, а в каждом канале 1 замыкается один и только один из М вторыхключей 5.При этом конденсаторы всех элемеитов 2 иакоплеиия заряжаютсяв течениезаданного времени выборки от источников тока, действующих на входах устройства. Напряжения усиливаются усилителями 4 и через один из замкнутых 5,в каждом канале 1 вторых ключей 5,например Кл.1, поступают на соответствующие конденсаторы элементов 6хранения. При этом напряжение Ос 2 наэтих конденсаторах к моменту окончания выборки, будет равняться с 2 СИ С Ос где 0 с - ванряжение смещения нуля/на выходе усн нп еля, соответствующее моменту записи инФормации;с - коэФФициент передачи усилителя по напряжению;(1 с 1 - напряжение на входе усилителя (первом конденсаторе).По окончании выборки устройство снова переходит в режим хранения, при котором элементы 2 накопления шунтируются первыми ключами 3 и разряжаются, один из элементов 6 хранения в каждом канале 1 сохраняет заряд, приобретенный в процессе выборки, в то время как остальные элементы 6 хранения сохраняют исходные заряды. Так как в каждом канале имеется я элементов б хранения, то процесс выборки можно продолжать еще (Н) раз,подключая каждый раз к выходу усилителя 4 следующие элементы хранения.Считывание инФормации осуществляется по команде "считывание", поступающей на блок 9 управления ключами по шинам 14. При этом размыкается третий ключ 7 и синхронно с ним замыкается один и толькоодин из К К вторых ключей 5, например, Кл.1, Напряжение, имеющееся на соответствующем конденсаторе элемента 6 хранения, поступает на вход АЦП 8 напряжение - код, причем в обратной полярности по отношению к напряжению смещения нуля на выходе уеилителя. Это напряжение О равняется:2 нгде ц" - напряжение смещения нулясмна выходе усилителя, соответствующее моменту считывания информации;Сн - параэитная емкость нагрузки (на чертеже показанапунктиром);С - емкость конденсатора эле 2мента хранения (второгоконденсатора);причем предполагается, что С 2 существенно больше С 1, и последней можно пренебречь.По окончании преобразования напряжения О в циФровой эквивалент, которое выполняется в АПП 8, устройство переходит в состояние хранения. В этом состоянии третий ключ 7 шунтиру- ет и разряжает емкость Сн до нуля.Очиня)(ие иц1)ма(ц мжц аци(и цо ро)о)(жат) е(е ( ( н 11)аИод кча) каж раз ца цхол АИИ Я сле,ун)ий .)цемент 6 хранения.Из )(р)(вдеццого выш выражения (2) 5 следует, что н предлагаемом устройст )1не при (1, =)с =сопят измеряемое цапряжцце цс зависит от величины цапряжпня смещения нуля на выход усилителя. Если 11 , медленно изменяется но времени, то разность цапряжеций (Ц- ). ) образует погрешность, вносимую ц результат измерения дрейфом (1,.ц. В указанном прототипе измеряется напряжение, соответствующее выражению 15 (1), в которое 1, и его дрейф входят полностью, Таким образом, в настоящем устройстве царя,;,у с упрощением по отношению к прототипу влияние дрейфа )с на результат измерения умень шено как минимум на порядок величины Заметим также, что величина 1), как правило, зависит от коэффициента передачи усилителя по напряжению. При реализации устройства вполне допустимым 2 смеЩением нуля на выходе усилителей можно считать, например, +(1-2)В, и это не приведет к уменьшению динамического диапазона измерений, вьп)олняемых АИП. Этим можно воспользоваться 30 и без введения средств балансировки нуля усилителей получить в схеме дополнительное усиление по направлению, например 10 и более, что соответственно повысит чувствительность устройст-З 5 ва. Для испытаний устройства изготовлен блок, содержащий 32 канала (1=32, =1), Блок предназначен для построе ния систем диагностики пучков ускорителей. В принципиальной электрической схеме блока использованы элемент накопления - конденсатор КМБпф 107.; элемент хранения - конденсане хуже 0,032/ С,о тор КМ-.)ГпФМ 0; первый ключ транзистор КТ 363 Б н инверсном включе цци, резистор и интегральный ключ К 143 КТ 1; второй ключ - транзистор КТ 326 БМ в нормальном включении, резистор и интегральный ключ К 143 КТ 1; усилитель - операционный усиЛитель К 140 УД 8 А, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению через резисторы (при этом Кх 10 с регулировкой усиления в пределах +257); третий ключ - два транзистора КТ 316 В, транзистор КТ 351 Б, диод КД 503 А и три резистора; АЦП напряжение - время - код (9 двоичных разрядов); блок управления ключами - счетчик К 155 ИЕ 5, триггер К 155 ТМ 2, логические элементы К 155 ЛР 1 и К 155 ЛН 1; а также электрически программируемое ПЗУ К 155 РЕЗ,При чувствительности устройства 1,0 и К - цена младшего разряда АЦП получены следующие метрологические характеристики:неоднородностьмасшта а преоб- не более 10 2) ф)разованиянестабильностьмасштаба преобразованияинтегральнаянелинейность - не более (:0,17;нестабильностьнуля преобраозования не хуже 0,017/ С,Устройство выгодно отличается от известных аналогов и прототипа по своим метрологическим характеристикам, менее критично к разбросу параметров компонентов (в частности, к технологическому разбросу емкостей элементов накопления и хранения и разбалансу нуля усилителей), вследствие чего является более технологичным в изготовлении и настройке, что обеспечивает устройству широкую сферу применения.10884 ЧЧ Составитель М,Данило Гехред М.Пароцай дактор С.Титова Корректор И.Мус Зака т 1 П 1 "Патент Ужгород, ул.Проектная, 4 Фи пиал 2778/1 Тираж ВНИИПИ 1 осудар пс делам иво 113035, Москванного ком ений и от 35, Раушс Подписноетета СССРрытийая наб., д. 4/