этой задержки определяется длительностью процесса вторичного умножения электронов внутри ФЭУ. Поскольку скорость движения электронов у внутри ФЭУ зависит от ускоряющего напряжения (т.е. напряжения питания фэу U) как V
(U) 1/2, время задержки t30- - 1/(U)¹/2.
Абсолютное значение задержки, с, для различных типов ФЭУ составляет примерно (1 - 3) 10- (U)1/2, где U выражено в вольтах, что при напряжении питания 1000 В составляет по порядку 10-7 с. При изменении напряжения питания ФЭУ задержка изменяется (по порядку величины) на 10-9 с на 100 В питания, что необходимо учитывать при настройке аппаратуры.
Временное разрешение сцинтилляционного детектора складывается из собственного временного разрешения ФЭУ и дополнительной погрешности, связанной C высвечиванием сцинтиллятора. Собственное временное разрешение ФЭУ, в свою очередь, складывается из двух компонент флуктуации задержки сигнала на выходе ФЭУ и флуктуации амплитуды и формы выходного сигнала. Для анализа факторов, определяющих временное разрешение ФЭУ, удобно рассмотреть две области: 1) промежуток катод - первый динод; 2) промежуток первый динод - анод.
Рассмотрим идеализированный случай "мгновенной" световой вспышки. Пусть на фотокатод ФЭУ одновременно падает No фотонов. Поскольку фотоэффект на катоде - процесс практически безинерционный, с внутренней поверхности фотокатода одновременно будет испущено и фотоэлектронов: N=yNo,
где у - квантовая эффективность фотокатода (эта формула определяет среднее количество фотоэлектронов, так как процесс эмиссии фотоэлектронов с фотокатода носит статистический характер).
Под действием электрического поля фокусирующего электрода и ускоряющей разности потенциалов, действующей в промежутке катод - первый динод, фотоэлектроны собираются на первый динод. Процесс вторичного умножения на первом диноде (так же как и на всех остальных) можно рассматривать для каждого падающего электрона независимо от остальных электронов. Поэтому выходной импульс анодного тока можно рассматривать как суперпозицию импульсов, созданных отдельными фотоэлектронами. Существенно, что импульсы, созданные фотоэлектронами, одновременно
вылетевшими с фотокатода, возникают на аноде не одновременно, а амплитуды имеют существенный разброс. их
Действительно, рассмотрим два электрона, вылетевших одновременно из разных точек фотокатода (рисунок 3.3). Поскольку траектория электрона 2 заметно длиннее траектории электрона 1, электрон 2 попадает на первый динод позже электрона 1, а значит импульс анодного тока, инициированный электроном 2, возникает на аноде позже, чем импульс, инициируемый электроном 1. Амплитуда одноэлектронного импульса определяется коэффициентом вторичной эмиссии каждого из динодов и числом динодов. Считая коэффициент вторичной эмиссии одинаковым для всех динодов, можно записать, что заряд одноэлектронного импульса q равен:
где е ДИHOДOB. заряд электрона; g коэффициент вторичной эмиссии; м - число
Однако, поскольку процесс вторичной эмиссии носит статистический характер, эта формула дает лишь среднее значение заряда. Число вторичных электронов п, приходящихся на один первичный электрон, упавший на динод, хорошо описывается распределением Пуассона:
Распределение амплитуд одноэлектронных импульсов также описывается этим распределением с параметром g, равным коэффициенту вторичной эмиссии первого динода (обычно g = 4 – 5), поскольку именно флуктуации числа электронов, вылетевших с первого динода, являются определяющими (на последующих динодах количество падающих на динод электронов отлично от единицы, что приводит к эффективному усреднению количества вторичных электронов). Двигаясь от первого динода к аноду, электронный "пакет" постепенно расплывается во времени (за счет разного времени пролета отдельных электронов в динодных промежутках), поэтому одноэлектронный импульс приобретает конечную длительность, a его форма имеет колоколообразный вид.
Таким образом, выходной импульс анодного тока ФЭУ даже для случая мгновенной (т.е. сколь угодно короткой) световой вспышки будет представлять собой сумму одноэлектронных импульсов, каждый из которых имеет случайное значение задержки и амплитуды (рисунок 3.4).
Проведенный анализ позволяет сделать оценки собственного временного разрешения ФЭУ. Рассмотрим случай, когда мгновенный световой поток настолько мал, что в отдельной вспышке регистрируется лишь один фотон. Очевидно, что значение tо в этом случае будет флуктуировать от вспышки к вспышке случайным образом, в зависимости от того, в каком месте фотокатола испущен фотоэлектрон. Диапазон этих флуктуаций определяется разницей времени пролета б. для самой короткой и самой длинной траекторией. Значение б. и будет верхним пределом временного разрешения ФЭУ, так как флуктуации амплитуды и формы одноэлектронных сигналов в этом случае будут играть существенно меньшую роль. Для разных типов ФЭУ 8, колеблется в пределах (0,2-0,5) 10" c.
По мере увеличения интенсивности световой вспышки временное разрешение будет улучшаться, так как в суммарном анодном импульсе будет проходить усреднение одноэлектронных импульсов, и положение фронта анодного импульса на временной оси будет определяться самыми короткими траекториями электронов. Собственное временное разрешение ФЭУ для интенсивных световых вспышек будет определяться не разбросом 1. a разбросом Дt, связанной с флуктуациями амплитуды и формы сигнала. Реально собственное временное разрешение составляет в этом случае для разных типов ФЭУ (0,05-0,5)-10-9 с.
На практике чаще приходиться иметь дело с промежуточным случаем. когда число фотонов, регистрируемых во вспышке, лежит в диапазоне 10 - 100. Строгий теоретический анализ показывает, что временное разрешение ФЭУ в этом случае зависит от количества фотонов во вспышке следующим образом:
Реальная световая вспышка сцинтиллятора не мгновенна, а описывается экспонентой. При условии RC.. » т форма импульса напряжения на выходе ФЭУ будет повторять форму сцинтилляционной вспышки, так как анодный импульс будет представлять собой суперпозицию одноэлектронных импульсов, созданных отдельными фотонами. Очевидно, что растягивание процесса высвечивания сцинтиллятора во времени приведет к тому, что временное разрешение сцинтилляционного детектора с реальным сцинтиллятором будет хуже, чем собственное временное разрешение ФЭУ, определенное для мгновенной вспышки, содержащей такое же количество фотонов. Очевидно также, что чем короче световая вспышка, т.е. чем меньше т, тем лучше, при прочих равных условиях, временное разрешение сцинтилляционного детектора.
Однако зачастую фактором, лимитирующим временное разрешение сцинтилляционного детектора, является не собственное временное разрешение ФЭУ, а условие собирание света сцинтилляционной вспышки на его фотокатод. Для сцинтиллятора большого размера коэффициент светосбора К может быть заметно меньше единицы, что приводит к ухудшению временного разрешения. Следует также иметь ввиду, что в сцинтилляторах большого размера время распространения света от места прохождения частицы через сцинтиллятор до фотокатода может составлять больше 10-9 с. Возникает дополнительный разброс задержки выходного сигнала ФЭУ, связанный с разбросом расстояний от места вспышки до фотокатода.
B рассматриваемых устройствах применен блок детектирования СЦИНТИЛЛЯционный БДС-6. В состав блока входят сцинтилляционный детектор на основе NaJ(TI) типа СДН.0.3-0.2, фотоумножитель ФЭУ-85 с делителем напряжения и предусилителем импульсов.
Для этого типа детектора г = 0,25-10% с. Г. ≈ 10-9 с. Блок рассчитан на
работу при скоростях счета до 3-105 импульсов за одну секунду.
На рис. 3.5 представлены зависимости, определяющие спектральный диапазон рентгеновского излучения в области эффективного приема детектора и плотность интенсивности рентгеновского излучения J(2) по длине волны при ЭЛС сплава АМГ-6 с ускоряющим напряжением до 30 кв. Эта зависимость построена в соответствии с выражением:
где J(v) = ZK(vmax - V); v - частота излучения; с - скорость света: 2 = c/ min -
граничная частота. Из рисунка видно, что спектр рентгеновского излучения, возникающий при ЭЛС, находится в области эффективного приема используемого детектора рентгеновского излучения. Динамические характеристики детектора удовлетворяют условиям быстродействия.
Ha рисунок 3.6 показан внешний ВИД не
рентгеновского датчика.
коллимированного
3.2 Измерительно-преобразовательные устройства
Экстремальные зависимости интенсивности рентгеновского излучения отб рассмотренных выше, параметров ЭЛС (положения луча относительно стыка, положения пятна нагрева относительно оси коллимированного рентгеновского датчика и т.д.) очевидно определяют способы управления по требуемым параметрам, а именно, применение устройств экстремального регулирования, обобщенная функциональная схема которых представлена на рисунке 3.7. При этом идентичность некоторых характеристик рентгеновского излучения при ЭЛС с соответствующими характеристиками вторично-эмиссионного тока предполагает возможноСТЬ использования уже разработанных устройств
управления с небольшими доработками, связанными с включением в контуры управления рентгеновских датчиков.
Значения контролируемых параметров измеряются датчиками рентгеновского излучения и сравниваются с заданными значениями.
Результат сравнения (разность заданного И преобразуется в экстремальном регуляторе в сигнал управления и подается на объект текущего значений) управления электронно-лучевую установку. Например, если осуществляется направление луча по стыку свариваемых деталей, ненулевой результат сравнения окажется, если координаты луча и стыка не совпадают. В этом случае экстремальный регулятор будет формировать сигнал, который с помощью отклоняющей системы электронно-лучевой пушки перемещает луч к стыку (к экстремуму статической характеристики). Здесь объект регулирования - электронный луч, а исполнительный элемент - отклоняющая система.
Известные в настоящее время методы приема сигналов могут быть сведены к интегральной операции вида:
где F(t)=f(t) + n(t)- сумма сигнала и помехи; ф(t) весовая функция, определяющая способ приема. Так, например, имеем:
метод накопления - ф(t) = 1;
автокорреляционный прием - ф(t) = F(t - t);
когерентный прием - ф(t) = f(t);
фильтрация - ф(t) = g(T-t), где g(t) - импульсная функция фильтра. Методы, описываемые формулой (3.1) дают результаты, близкие к предельному соотношению сигнал/помеха. Это значит, что вопрос о выборе метода приема перемещается в область технических и технико-экономических соображений.
Ниже кратко рассмотрены применяемые методы экстремального регулирования в плане формирования поисковых сигналов и способов движения к экстремуму.
3.2.1 Устройство стабилизации глубины проплавления применением коллимированного рентгеновского датчика
С
Функциональная схема такого устройства представлена на рисунке 3.16. Перед сваркой электронный луч фокусируется на поверхности свариваемых деталей с помощью источника фокусирующего тока ИФТ, входящего в состав источника питания ИП электронно-лучевой пушки ЭЛП. С помощью привода перемещения датчика ось последнего совмещают C ПЯТНОМ нагрева, находящегося на поверхности деталей. Контроль совмещения осуществляют по максимальному показанию измерительного прибора, который индицирует
уровень рентгеновского излучения, регистрируемого датчиком и усиливаемого широкополосным усилителем. Затем датчик перемещают на заданную глубину проплавления. Контроль перемещения производят с перемещения. После этого вводят сварочный ток. помощью датчика
При увеличении тока луча образуется канал проплавления и пятно нагрева перемещается одновременно с перемещением дна канала, достигая заданной глубины проплавления, совпадающей с осью коллимированного рентгеновского датчика. Таким образом, до этого момента происходит увеличение интенсивности рентгеновского излучения. Дальнейшее увеличение тока луча приводит к заглублению канала проплавления, смещению пятна нагрева с оси датчика и, следовательно, к уменьшению интенсивности рентгеновского излучения, регистрируемого датчиком.
Алгоритм ввода тока построен таким образом, что при первом же цикле измерения, дающем результаты. свидетельствующие интенсивности рентгеновского излучения, ввод об уменьшении тока прекращается. B устройстве этот алгоритм реализуется программным путем: измеряется сигнал на выходе широкополосного усилителя, сравнивается предыдущим C значением. Если текущее значение к больше предыдущего Jk-i, то ввод тока продолжается, если меньше - прекращается (рисунок 3.17). На функциональной схеме (рисунок 3.16) это изображено в виде цепи: широкополосный усилитель - компаратор источник питания (ИП) электронно-лучевой пушки.
При достижении пятном нагрева положения, совпадающего с осью коллимированного датчика (с заданной глубиной проплавления) включается генератор модуляции тока фокуса. В результате, в положении пятна нагрева по глубине проплавления появляется периодическая составляющая, а в спектре интенсивности рентгеновского излучения составляющие C частотами, кратными частоте модуляции тока фокуса. При этом амплитуда составляющей с частотой модуляции пропорциональна смещению пятна нагрева относительно оси коллимированного датчика, а ее фаза определяет направление смещения (см. выражение 2.29 и рисунок 2.20). Эта составляющая выделяется синхронным детектором (рисунок 3.16), на опорный вход которого подается напряжение той же частоты, а выходе формируется напряжение на
пропорциональное смещению пятна нагрева от оси датчика. Если смещение не равно нулю, то напряжение синхронного детектора через фильтр и усилитель подается в фокусирующую систему электронно-лучевой пушки, и луч фокусируется таким образом, чтобы амплитуда составляющей сигнала датчика с частотой модуляции стала равной нулю, т.е. чтобы положение пятна нагрева совпало с проплавления. ОСЬЮ коллимированного датчика, определяющего глубину
в устройстве предусмотрена возможность автоматического изменения глубины проплавления B случае конструктивной или технологической необходимости. Для этого в процессе ЭЛС, с помощью привода перемещения датчика по требуемой программе изменяют положение коллимированного датчика (ось датчика перемещается в направлении канала проплавления), изменяя, тем самым, заданную глубину проплавления. Связь датчика перемещения детектора с контуром управления током луча источника питания ЭЛП обеспечивает требуемое изменение тока луча (увеличение или уменьшение тока, в зависимости от направления перемещения рентгеновского датчика) для обеспечения заданной глубины проплавления. При этом алгоритм изменения тока аналогичен рассмотренному выше (рисунок 3.17). Отличие состоит в том, что в данном случае возможны два режима - увеличение тока луча (увеличение глубины проплавления), (уменьшение глубины проплавления. И уменьшение тока луча
Во втором режиме, также как и в первом. осуществляется сравнение текущего значения интенсивности рентгеновского излучения Јх с предыдущим значением - Jк. Уменьшение тока луча прекращается при выполнении условия Jк < Jк. (рисунок 3.18).
в режимах изменения тока луча модуляция тока фокуса отключается (отключается контур управления глубиной по току фокуса) и возобновляется
при выполнении названных условий (Jк < Jк.).
3.2.2 Устройства стабилизации глубины проплавления проникающему через излучению по непроплавленный металл рентгеновскому
Два варианта реализации таких устройств рассмотрены в предыдущей главе (рисунки 2.3. 2.4). Рассмотрим устройство стабилизации положения фокуса луча, соответствующего максимальной глубине проплавления.
Анализ зависимости интенсивности проникающего рентгеновского излучения от смещения фокуса электронного луча относительно положения, соответствующего максимальной глубине проплавления свидетельствует о том, что при модуляции тока фокуса в спектре проникающего рентгеновского излучения появляется составляющая с частотой модуляции, амплитуда которой пропорциональна расфокусировке луча относительно положения, соответствующего максимальной глубине проплавления (рисунок 2.12, б). Отсюда очевидна функциональная схема устройства стабилизации положения фокуса, обеспечивающего максимальную глубину проплавления (рисунок
3.19). Наличие названной составляющей интенсивности проникающего рентгеновского излучения предполагает целесообразность применения синхронного детектирования сигнала рентгеновского датчика для получения сигнала управления положением фокуса луча.
Перед сваркой электронный луч с помощью источника фокусирующего тока фокусируется на уровень, близкий к требуемому. Вводится сварочный электронный луч, и включается контур управления фокусировкой. В результате модуляции тока фокуса с частотой о2 и амплитудой Дом в спектре проникающего рентгеновского излучения, регистрируемого рентгеновским датчиком появляется составляющая с частотой модуляции 002, амплитуда которой пропорциональна смещению фокуса луча относительно положения, соответствующего максимальной глубине проплавления, фаза определяет направление смещения.
Сигнал с рентгеновского датчика поступает на синхронный детектор, на выходе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде составляющей с частотой 02. На опорный вход синхронного детектора подается сигнал той же частоты с генератора модуляции тока фокуса.
Нулевое значение напряжения синхронного детектора (отсутствие спектральной составляющей частотой модуляции 2 тветствует C фокусировке луча на уровень, при котором достигается максимальная глубина проплавления. При случайном изменении этого уровня глубина проплавления уменьшается, и амплитуда составляющей с частотой ф2 становится отличной от нуля, фаза ее, а, следовательно, знак напряжения синхронного детектора определяет направление изменения уровня фокусировки, и в контур управления током фокуса поступает сигнал коррекции, устраняющий случайное изменение. |
Скачать 62.51 Kb.