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Schaltungsanordnung zur Messung der Zeitabstände von Impulsen mit hoher Zeitauflösung
Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Messung der Zeitabstände von Impulsen mit hoher Zeitauflösung für das Nanosekundengebiet, insbesondere zur Bestimmung der Lebensdauer angeregter Kernniveaus, die nach dem Prinzip des Differenzverstärkers unter Verwendung von Elektronenröhren aufgebaut ist und bei welcher die Höhe des erzeugten Impulses dem Zeitabstand zweier Eingangsimpulse proportional ist.
In der kernphysikalischen Messtechnik werden zur Bestimmung vonLebensdauern angeregter Kernniveaus, zur Untersuchung von Winkelkorrelationen, zur Bestimmung von Neutronenenergien in Flugzeitspektrometern usw. Apparaturen benötigt, die die Messung von Zeiten im Nanosekundengebiet gestatten.
Koinzidenzapparaturen stellen die Gleichzeitigkeit von Impulsen innerhalb der Auflösungszeit T des Koinzidenzsystems fest. Wenn lange Messzeiten erforderlich sind, muss die Auflösungszeit T sehr konstant sein, weil in vielen Experimenten das Messergebnis von T abhängt. Zeit-Amplituden-Transformationsstufen (ZAT) unterscheiden nicht zwischen koinzidenten und nichtkoinzidenten Impulsen, sondern geben Ausgangsimpulse ab, deren Höhe dem Zeitabstand der zu untersuchenden Impulspaare proportional ist.
Mit Hilfe von Mehrkanal-Analysatoren kann sofort das zeitliche Spektrum der Impulse erhalten werden.
Zur Vermeidung systematischer Fehler ist eine gute Stabilität der Transformationsstufe notwendig.
Es ist bekannt, dass Koinzidenzkreise im Nanosekundengebiet meist mit Halbleiterbauelementen betrieben werden. Die zu untersuchenden Impulse müssen diese Halbleiterbauelemente passieren. Die Impulshöhen am Ausgang sind ein Mass für den Impulsabstand. Thermische Einflüsse verändern die Charakteristik der Halbleiterbauelemente sehr stark und damit, wegen fehlender stabilisierender Effekte, auch die AuFLösungszeit.
Auch ist bekannt, in Zeit-Amplituden-Transformationsstufen neben Halbleiterbauelementen Doppelsteuerröhren, wie z. B. 6BN6, 6A311". zu verwenden. Die Röhren sind im Ruhestand gesperrt. Es fliesst nur dann ein Anodenstrom, wenn beiden Steuergittern hinreichend grosse positive Impulse zugeführt werden.
Bei Änderungen der Emission derRöhrenkathoden, der Heiz-und Betriebsspannungen verschieben sich die Kennlinien dieser Röhren. Dadurch wird die Beziehung zwischen Impulsabstand und Ausgangsimpulshöhe geändert.
In den bekannten Differential-Koinzidenzschaltungen werden zwei Koinzidenzkreise gegeneinander geschaltet. Dadurch wirken sich Instabilitäten weniger nachteilig aus und kompensieren sich weitgehend, wenn sie in beiden Einzelkreisen ähnlich verlaufen. Mit diesen Schaltungen ist es möglich, sehr kleine Auflösungszeiten zu erhalten mit einer Stabilität, die zwar den üblichen Koinzidenzkreisen überlegen ist, jedoch nicht die Stabilität sonstiger elektronischer Geräte erreicht.
Die Folge der vorstehend aufgeführten Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen ist eine Verfälschung des Messergebnisses. Soll dieser Nachteil umgangen werden, so erfordert dies einen erheblichen technischen Aufwand.
Diese Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen werden dadurch beseitigt, dass erfindungsgemäss die Differenz der beiden Eingangssignale an der Anode des Koinzidenzkreises entnommen wird und
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zur Integration des sich ergebenden Differenzsignals ein integrierendes RC-Glied vorgesehen ist, dessen Zeitkonstante gross, vorzugsweise zehnfach oder darüber, gegenüber der Impulslänge ist, wobei der erhaltene Integrationsimpuls zur weiteren Registrierung ausgewertet wird.
Gegenüber den bisher verwendeten Schaltungen im Nanosekundengebiet ergeben sich folgende Vorteile :
1. DieSchaltung verarbeitet auch Eingangsimpulse, deren Höhe von der Grössenordnung Millivolt ist, da die Arbeitspunkte der Röhren im steilen Teil der Kennlinie liegen, so dass Halbleiter-Strahlungsdetektoren direkt an die Koinzidenz-oder Zeii-Impulshöhen-Transformationsschaltung angeschlossen werden können.
2. Da keinerlei Halbleiterbauelemente in der Schaltung vorhanden sind, ist sie in hohem Masse temperaturunempfindlich.
3. Der Kathodenwiderstand des Differenzverstärkers stabilisiert den Ruhestrom durch beide Röhren.
An Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung soll der Gegenstand der Erfindung näher beschrieben werden. In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 eine Schaltung gemäss der Erfindung, Fig. 2 den Spannungs-Zeit-Verlauf der Differenz der Eingangsspannungen, Kurve a ; der Impulse nach einfacher, Kurveb ; und doppelter Integration, Kurve c ; Fig. 3 die Abhängigkeit der Impulshöhe von der Zeitverzögerung T, Fig. 4 das Blockschaltbild einer Koinzidenzanordnung, Fig. 5 das Blockschaltbild einer ZAT-Anordnung, Fig. 6 das Blockschaltbild eines Differentialsystems für ZAT.
Von nicht gezeichneten Begrenzern gelangen positive Impulse mit einer Länge von grössenordnungsgemäss 10 ns an den Eingang 1 und Eingang 2 der Stufe in Fig. l. Sie stellt einen Differenzverstärker dar und ist durch einen gemeinsamen Kathodenwiderstand R gegen Röhrenalterungen und Betriebsspannungsänderungen stabilisiert. Der Zeitabstand der Impulse an 1 und 2 sei mit T bezeichnet. Trifft der Impuls an 1 friiher als an 2 ein, dann fliesst in Rö 1b ein Stromimpuls, der proportional der in Fig. 2, Kurve a, dargestellten Differenz der beiden Eingangsimpulse ist. In der Stufe nach Fig. 1 erfolgt an der Anode Ap eine Integration mit der.
Zeitkonstanten RC, wobei R die Parallelschaltung aus Anodenwiderstand R. und Innenwiderstand von Rö 1b darstellt und C die Kapazität von Ap ge-
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Integration erhaltene Spannungsimpuls ist in Fig. 2, Kurve b, dargestellt für den Fall, dass die Integrationszeitkonstante RC gross gegen die Impulslänge ist. Der nachfolgende gegengekoppelte Verstärker 3 mit einer Bandbreite von zirka 2 MHz wirkt als zweites Integrierglied, so dass sich schliesslich die Impulsform entsprechend Kurve c in Fig. 2 ergibt. Die Höhe des ersten Maximums der Impulsformen bund c in Fig. 2 ist bei so gewählter Zeitkonstante dem Zeitabstand proportional. Das nachfolgende Durchschwingen stört nicht, weil dessen Höhe kleiner ist.
Die Abhängigkeit der Impulshöhe vom Zeitabstand T ist in Fig. 3a dargestellt. Nach"Gleich- richtung" der Kurve erhält man Fig. 3b. Der lineare Anstieg wird zur Zeit-Amplituden-Transformation benutzt. Diese ZAT-Stufe kann sowohl für Koinzidenz- als auch für ZAT-Anordnung eingesetzt werden.
BeidenKoinzidenzschaltungengemässFig. 4wirdmiteinemDiskriminatorD1ausderKurveFig.3b ein Teil herausgeschnitten. Je niedriger die Diskriminatorsch'velle liegt, um so kleiner ist die einstellbare Auflösungszeit. Weil bei Koinzidenz der Diskriminator D1 nicht anspricht, muss von der ZAT-Stufe über einen Hilfskoinzidenzkreis, entspricht 4 in Fig. 1, ein Signal abgeleitet werden, das mit dem
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pulse Nk, wenn Dl nicht anspricht. Der Gesamtaufbau einer ZAT-Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Das lineare Tor wird nur geöffnet, wenn vom Diskriminator D, ein Impuls abgegeben wird, d. h., beim Eintreffen zweier Eingangsimpulse.
Durch Gegeneinanderschaltung zweier identischer ZAT-Stufen kann ein Differential-Konvertersystem realisiert werden (Fig. 6). Die Eingangsimpulse werden gemäss demDifferential-Prinzip gegeneinander ver- zögert. Die Ausgangsimpulse beider ZAT-Stufen werden in einer Differenzstufe gegeneinander geschaltet. Diese Anordnung kann sowohl als Koinzidenz- als auch als ZAT-Schaltung benutzt werden (analog Fig. 4 und 5). Damit erhält man bei gleichen Impulslängen erheblich kürzere Auflösungszeiten.
Spezielles Beispiel :
Rö 1 = ECC91, : k Ub = : L 300 V,
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