符合/反符合實驗電路的開發及教學實踐

馮啟春,任延宇,霍 雷,王清尚

(哈爾濱工業大學 物理學院 近代物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)

核電子學實驗是核物理專業的重要教學組成環節,是與核物理其他專業尤其是核電子學專業課程相配合的實驗. 核電子學實驗是理論與實踐密切結合的基礎課程,能夠幫助學生初步掌握核物理的研究方法,以及核物理實驗的特點、一般流程和規律. 該實驗教學不僅能夠培養學生正確、嚴謹的科學態度,還能夠提高學生理論聯系實際,以及善于發現問題、分析問題和解決實際問題的能力.

符合/反符合技術已在各個研究領域被廣泛應用,包括宇宙射線的研究[1-3]、原子分子物理研究[4-5]、正電子壽命研究[6-7]、放射性源的活度測量[8]、量子通訊[9]等. 因此,符合/反符合實驗是核電子學實驗中比較典型的實驗.

現在很多符合實驗都是使用儀器插件,例如BH1221型符合/反符合插件,需配合NIM機箱使用[10]. 插件類儀器使用方便,但會導致學生缺少對電路細節的認識,并且不能強化學生對電路細節的理解,無法在教學上達到最好效果,不利于對核電子學專業學生的培養. 為了滿足核物理專業的教學要求,本文設計了符合/反符合實驗電路,采用較少的器件即可完成實驗,并且能夠實現2路信號的符合、反符合、延遲符合、延遲反符合等功能. 該實驗電路適用于本科實驗教學,并在2022年的春季學期進行了實際教學,取得了較好效果.

1 符 合

1.1 符合的概念

符合是在給定時間內出現2個或2個以上事件的現象. 符合又可分為真符合、假符合、偶然符合、反符合和延遲符合等. 符合方法是利用1組事件的時間相關性來測量該組事件的1個量或幾個量的方法.

1組事件的時間相關性是指該組事件的各個事件是同時發生或在一定時間間隔內相繼發生的現象. 例如,核級聯衰變所釋放出的粒子之間在時間上相關聯;1個高能粒子先后穿過2個探測器而被2個探測器相應探測到的2個事件在時間上也是相關的;若把1個信號的各個參量分別作為1個事件,而這些參量形成的1組事件在時間上也是相關聯的.

實現符合方法的裝置稱為符合裝置,由探測器和包含符合電路單元的電子儀器組成. 符合測量是通過2個關聯信號中的1個信號來確定另外1個信號的存在,并將其記錄. 反符合測量則是用時間上與待測量具有相關性的信號來剔除待測量,即不予記錄.

1.2 符合電路的原理

符合電路也稱邏輯電路,其控制原理為:當電路的2個或者2個以上的輸入線路同時或者在規定的時間間隔內都接收到脈沖輸入時,符合電路才產生1個有效脈沖輸出. 符合電路通常采用門電路進行控制,可以采用與非門電路,一個輸入端加載符合開門信號,另一個輸入端加載符合通過信號. 符合測量原理框圖如圖1所示,2個轉換開關相配合,可以實現瞬時符合、瞬時反符合、延遲符合和延遲反符合等4種工作模式.

圖1 符合測量原理框圖

1)瞬時符合:符合信號為高電平,開啟與非門,可使信號通過.

2)瞬時反符合:符合信號為低電平,關閉與非門,禁止信號通過.

3)延遲符合:通過信號經延時后,符合信號為高電平時,可使信號通過.

4)延遲反符合:通過信號經延時后,符合信號為低電平時,禁止信號通過.

1.3 符合電路的實現

為了實現能夠體現符合電路原理的實驗,可以采用單穩態觸發器. 單穩態觸發器具有整形、定時和延時的功能. 本實驗采用的雙單穩態觸發器芯片74LS123內含2個獨立的單穩態觸發器, 可上升沿觸發,也可下降沿觸發,可前沿觸發,也可后沿觸發,2個輸出端的輸出極性相反. 使用時,只需外接1個定時電阻和1個定時電容即可. 74LS123的針腳功能圖如圖2所示,真值表如表1所示.

圖2 74LS123針腳功能圖

表1 真值表

2 符合/反符合

符合/反符合控制原理實驗電路如圖3所示,由1片雙單穩態觸發器和1片二輸入與非門電路74LS00組成,+5 V供電. 采用脈沖寬度為tk的正方波信號同時加到2個單穩態觸發器的輸入端.可將正方波信號的前沿(即上升沿,↑)和后沿(即下降沿,↓)作為1組在時間上相關的2個事件,用前沿(↑)觸發產生的輸出正負方波作為符合/反符合的符合控制信號;用后沿(↓)觸發產生的正方波信號作為符合/反符合的通過信號.適配2路的定時電阻和定時電容,使符合信號的寬度t1(t1=0.7R1C1)大于模擬輸入信號的寬度tk;通過信號的寬度t2(t2=0.7R2C2)對輸出脈沖寬度有直接影響.

圖3 符合/反符合控制原理實驗電路

圖3中符合/反符合電路各信號之間的具體時間關系如圖4所示[(a)圖對應符合情況,(b)圖對應反符合情況]:

(a)符合電路 (b)反符合電路圖4 符合/反符合電路波形圖

1)符合時,符合信號為正方波,開啟門電路.如果通過信號的脈沖寬度t2t1-tk,則輸出脈沖寬度為t1-tk,多余寬度被t1的低電平切斷.

2)反符合時,符合信號為負方波,關閉門電路.如果t2t1-tk,隨著t1低電平結束而升高為高電平,t2比t1-tk多余的寬度被解禁,輸出了1個不該輸出的脈沖,其寬度為t2-(t1-tk),從而未起到反符合作用.

可以看出,上述符合/反符合模擬實驗電路應滿足以下關系:t1>tk,t2≤t1-tk.符合信號應先于通過信號.在實際應用中,可利用符合方法測量放射源的活度,如圖5所示.

圖5 β-γ級聯衰變圖

對于β-γ級聯放射源,可利用β探測器和γ探測器分別測量β射線和γ射線的脈沖信號. 由于β射線和γ射線在時間上具有相關性,因此可用β射線的脈沖信號作為符合信號,γ射線的脈沖信號作為通過信號,這樣測量的γ射線就可剔除環境中的天然本底γ射線和無時間關聯的γ射線的干擾.

3 延遲符合/反符合

圖6 延遲符合/反符合控制原理實驗電路

圖7 延遲符合波形圖

在實際應用中,可采用延遲符合電路測量激發態的壽命.例如,利用β探測器探測β信號,再將經過延遲輸出后的β信號與退激發的γ信號進行延遲符合(圖5),延遲時間能夠反映激發態持續的時間.同樣,在中子飛行時間的測量上,中子起飛時的起飛信號經過延遲輸出后與中子飛行后被探測到的信號進行延遲符合,延遲時間也能夠反映中子的飛行時間.

4 教學應用

4.1 實驗器材

雙路電源(1臺)、數字信號發生器(1臺)、數字示波器(1臺)、雙路單穩態芯片74LS123(2個)、與非門芯片74LS00(1個)、電阻電容若干、面包板(1塊).

4.2 教學內容

學生使用面包板根據圖3和圖6獨立完成搭建電路.搭建完畢后,用萬用表測量相關的靜態工作點,完成電路調試.調試結束后,輸入矩形脈沖,用示波器測量電路中以數字標示的各輸出點的波形,完成圖4和圖7中的波形圖,對符合、反符合、延遲時間、成形時間等符合電路元素進行研究.該電路中的輸入脈沖的寬度、頻率以及電路的成形時間、延遲時間相關的電容電阻等參量均由學生自由選擇,這些參量之間存在匹配關系.通過以上安排,培養學生獨立探索的能力.

4.3 教學效果

該實驗是大四秋季學期的核物理專業實驗之一,已經在核物理專業應用2屆.通過該實驗,學生對符合/反符合的各個單元有了較直觀的認識,尤其是在確定相關參量過程中對符合電路的特點有了深入的理解,該電路元件數量適中,學生可在4學時內完成實驗.該實驗與理論課“核電子學”課程中的“符合電路”內容實現了很好的配合,完成了該教學內容的理論聯系實際.

5 結束語

本文設計的符合/反符合核電子學實驗電路采用較少的模塊完成了對符合、反符合、延遲符合、延遲反符合電路的分析和討論,所用器件常用易得,利于學生靈活分析電路輸出信號的各種影響因素,通過不同的采樣點清晰地了解符合測量電路的特點,有利于學生掌握電路細節.另外,結合實際的核物理實驗,可利用該電路將初始的輸入信號分作2路,而不再使用1個方波信號構造2路信號.該實驗能夠加深學生對于符合過程的理解,提升學生的知識應用水平.