Метод совпадения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Метод совпадения - эксперим. метод физики элементарных частиц и ядерной физики, основанный на регистрации неск. событий (рождение и распад частиц, пролёт их через детектор и др.), совпадающих во времени или разделённых фиксиров. промежутками времени. Примером может служить регистрация пролёта частицы через неск. детекторов - сцинтилляционных, газоразрядных и др. (рис. 1). Сигналы, поступающие от детекторов Д₁, Д₂, ..., Д_n, предварительно проходят через линии задержки ЛЗ, позволяющие регулировать времена появления сигналов на их выходе. Затем импульсы формируются по амплитуде и длительности в формирователях Ф или только по амплитуде в дискриминаторах ДИ поступают на схему совпадений СС, к-рая срабатывает только от импульсов с длительностью и амплитудой, задаваемыми формирователем или дискриминатором. С выхода СС сигнал фиксируется регистрирующим устройством Р, напр. т. н. пересчётным прибором, к-рый фиксирует количество импульсов за определ. промежуток времени.

Рис. 1. Блок-схема, поясняющая регистрацию пролёта частицы через детекторы Д₁, Д₂...Д_n; Д_A - детектор, включённый в схему антисовпадений; ДИ - дискриминатор с инвертированным выходом.

Времена задержек сигналов в ЛЗ подбираются так, чтобы сигналы с детекторов для регистрируемого события появлялись на входе СС одновременно. ЛЗ позволяет скомпенсировать разницу времён пролёта частицы через детекторы и разницу времён прохождения сигналов по кабелям и формирователям от детектора до СС.

Метод совпадения сводится к регистрации сигналов от детекторов, совпадающих во времени на входе СС. Совпадающими наз. сигналы, полностью или частично перекрывающиеся во времени. Временной отбор сигналов осуществляется СС, к-рая реализует логич. функцию «и» (логич. умножение, см. Логические схемы), т. е. на её выходе сигнал появляется лишь тогда, когда на все входы одновременно приходят импульсы определ. полярности.

Если на один или несколько из входов СС подать сигнал с инвертиров. полярностью, то СС превращается в схему антисовпадений. На выходе СС сигнал может появиться только в тот промежуток времени, когда на этих входах нет сигнала с соответствующих детекторов. На рис. 1 показан детектор Д_А, включённый в схему антисовпадений и выделяющий узкий пучок частиц (напр., сцинтилляц. детектор с отверстием по оси пучка). Сигнал от Д_А, сформированный по амплитуде и инвертированный в дискриминаторе, подаётся на СС, к-рая выделяет частицы, пролетевшие через все детекторы, но не пролетевшие через Д_А.

Схема совпадения СС характеризуется числом каналов и связанных с ними детекторов (кратность). Степень разброса времён прихода сигналов, при к-ром срабатывает СС, определяется её разрешающим временем

. Если измерить зависимость скорости счёта N на выходе СС от величины задержки т в одном из каналов совпадения, то получится кривая совпадения (рис. 2, а). Разрешающим временем

в данном канале наз. ширина на половине высоты максимума кривой совпадения. Если изменять задержку в канале антисовпадения, то получим кривую антисовпадения (рис. 2,б), к-рая определяет антисовпадений.

Рис. 2. Зависимость скорости счёта N на выходе схемы совпадении от задержки: a - в канале совпадения (кривая совпадения); б - в канале антисовпадения (кривая антисовпадения).

В зависимости от

типа детекторов и эксперимента существуют медленные СС

, быстродействующие

и сверхбыстродействующие

Важной характеристикой СС является т. н. коэф. отбора

, где А_п - амплитуда выходного сигнала СС при совпадении в п каналах (антисовпадения исключаются), А_п-1 - при совпадении в (п - 1) каналах. Коэф. К должен быть велик, иначе А_п будет мало отличаться от А_n-1 и совпадения трудно будет отделить от их отсутствия. Чувствительностью СС наз. мин. амплитуда сигнала на её входе, вызывающая сигнал на выходе. Иногда формирующие устройства на входе выполняются вместе с СС в одном блоке.

Истинные совпадения, связанные с исследуемым явлением (неск. детекторов регистрируют одну и ту же частицу), следует отличать от случайных совпадений (фона), обусловленных шумами детекторов или частицами, случайно прошедшими через детекторы за время t_р (разные частицы через разные детекторы). Можно показать, что для двухканальной СС число случайных совпадений в 1с

, для трёхканальной, где N₁, N₂, N₃и т. д,- ср.

числа импульсов

в 1 с, регистрируемых отд. детекторами. Для уменьшения N_сл необходимо увеличить число детекторов n, регистрирующих истинные совпадения, или уменьшать

. Увеличение я из-за конечной эффективности каждого детектора уменьшает вероятность регистрации истинных совпадений, т. е. уменьшает эффективность СС. Уменьшение

также ограничено свойствами детекторов: интервал времени от пролёта частицы через детектор до появления сигнала на выходе детектора

(задержка) статистически колеблется. В сцинтилляционных детекторах, напр., это колебание обусловлено их геом. размерами и местом прохождения частицы. Для того чтобы эффективность счёта истинных совпадений не уменьшалась, необходимо условие

. Конечное время нарастания импульсов на выходе детекторов и их амплитудный разброс также приводят к добавочной флуктуации момента срабатывания СС, затрудняя использование малого при высокой эффективности.

При

регистрации процессов в пучках частиц высокой интенсивности возникает задача получения т. н. эффективных антисовпадений. Эффективными наз. антисовпадения, к-рые позволяют получить макс. подавления счёта, т. е. наименьшую относит. скорость счёта N_минв минимуме кривой антисовиадений (рис. 2,б) при макс. скорости счёта N_макс за пределами

. Уровень подавления определяется т. н. физ. и схемной неэффективностью антисовпадений. Физ. неэффективность обусловлена случайными совпадениями сигналов детекторов в каналах совпадений, конечной эффективностью регистрации частиц детектором антисовпадений и т. д. Схемная неэффективность определяется прохождением сигналов на выход схемы антисовпадений, хотя сигналы от детекторов антисовпадений превышают порог срабатывания формирующих устройств в каналах антисовпадений и появляются во временном интервале

кривой антисовпаденнй. Одна из причин схемной неэффективности - т. н. мёртвое время формирующих устройств. На рис. 1 в канале антисовпадений формирование сигнала осуществляется дискриминатором ДИ, имеющим меньшее мёртвое время, чем формирователь Ф. Осн. требование к каналу антисовпадений: мёртвое время устройства, формирующего сигналы, не должно превышать их длительности или должно отсутствовать. Для достижения эффективности антисовпадений необходимо превышение длительности сформиров. сигнала в канале антисовпадений над его мёртвым временем на величину, минимальную и достаточную для перекрытий длительности и разброса времени появления сигналов совпадений на входе СС, необходимо также минимизировать длительность и разброс времени появления сигналов со всех детекторов.

Помимо ядерной физики и физики элементарных частиц метод совпадения применяется как метод измерений, основанный на сопоставлении ряда чередующихся сигналов, соответствующих значениям измеряемой величины, с рядом сигналов, относящихся к известной величине. Определение измеряемой величины производится по совпадению сигналов. К методу совпадения можно отнести, в частности, стробоскопич. метод измерения частоты механич. и эл--магн. колебаний.

Литература по методу совпадения

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.