符合/反符合实验电路的开发及教学实践

冯启春,任延宇,霍 雷,王清尚

(哈尔滨工业大学 物理学院 近代物理系,黑龙江 哈尔滨 150001)

核电子学实验是核物理专业的重要教学组成环节,是与核物理其他专业尤其是核电子学专业课程相配合的实验. 核电子学实验是理论与实践密切结合的基础课程,能够帮助学生初步掌握核物理的研究方法,以及核物理实验的特点、一般流程和规律. 该实验教学不仅能够培养学生正确、严谨的科学态度,还能够提高学生理论联系实际,以及善于发现问题、分析问题和解决实际问题的能力.

符合/反符合技术已在各个研究领域被广泛应用,包括宇宙射线的研究[1-3]、原子分子物理研究[4-5]、正电子寿命研究[6-7]、放射性源的活度测量[8]、量子通讯[9]等. 因此,符合/反符合实验是核电子学实验中比较典型的实验.

现在很多符合实验都是使用仪器插件,例如BH1221型符合/反符合插件,需配合NIM机箱使用[10]. 插件类仪器使用方便,但会导致学生缺少对电路细节的认识,并且不能强化学生对电路细节的理解,无法在教学上达到最好效果,不利于对核电子学专业学生的培养. 为了满足核物理专业的教学要求,本文设计了符合/反符合实验电路,采用较少的器件即可完成实验,并且能够实现2路信号的符合、反符合、延迟符合、延迟反符合等功能. 该实验电路适用于本科实验教学,并在2022年的春季学期进行了实际教学,取得了较好效果.

1 符 合

1.1 符合的概念

符合是在给定时间内出现2个或2个以上事件的现象. 符合又可分为真符合、假符合、偶然符合、反符合和延迟符合等. 符合方法是利用1组事件的时间相关性来测量该组事件的1个量或几个量的方法.

1组事件的时间相关性是指该组事件的各个事件是同时发生或在一定时间间隔内相继发生的现象. 例如,核级联衰变所释放出的粒子之间在时间上相关联;1个高能粒子先后穿过2个探测器而被2个探测器相应探测到的2个事件在时间上也是相关的;若把1个信号的各个参量分别作为1个事件,而这些参量形成的1组事件在时间上也是相关联的.

实现符合方法的装置称为符合装置,由探测器和包含符合电路单元的电子仪器组成. 符合测量是通过2个关联信号中的1个信号来确定另外1个信号的存在,并将其记录. 反符合测量则是用时间上与待测量具有相关性的信号来剔除待测量,即不予记录.

1.2 符合电路的原理

符合电路也称逻辑电路,其控制原理为:当电路的2个或者2个以上的输入线路同时或者在规定的时间间隔内都接收到脉冲输入时,符合电路才产生1个有效脉冲输出. 符合电路通常采用门电路进行控制,可以采用与非门电路,一个输入端加载符合开门信号,另一个输入端加载符合通过信号. 符合测量原理框图如图1所示,2个转换开关相配合,可以实现瞬时符合、瞬时反符合、延迟符合和延迟反符合等4种工作模式.

图1 符合测量原理框图

1)瞬时符合:符合信号为高电平,开启与非门,可使信号通过.

2)瞬时反符合:符合信号为低电平,关闭与非门,禁止信号通过.

3)延迟符合:通过信号经延时后,符合信号为高电平时,可使信号通过.

4)延迟反符合:通过信号经延时后,符合信号为低电平时,禁止信号通过.

1.3 符合电路的实现

为了实现能够体现符合电路原理的实验,可以采用单稳态触发器. 单稳态触发器具有整形、定时和延时的功能. 本实验采用的双单稳态触发器芯片74LS123内含2个独立的单稳态触发器, 可上升沿触发,也可下降沿触发,可前沿触发,也可后沿触发,2个输出端的输出极性相反. 使用时,只需外接1个定时电阻和1个定时电容即可. 74LS123的针脚功能图如图2所示,真值表如表1所示.

图2 74LS123针脚功能图

表1 真值表

2 符合/反符合

符合/反符合控制原理实验电路如图3所示,由1片双单稳态触发器和1片二输入与非门电路74LS00组成,+5 V供电. 采用脉冲宽度为tk的正方波信号同时加到2个单稳态触发器的输入端.可将正方波信号的前沿(即上升沿,↑)和后沿(即下降沿,↓)作为1组在时间上相关的2个事件,用前沿(↑)触发产生的输出正负方波作为符合/反符合的符合控制信号;用后沿(↓)触发产生的正方波信号作为符合/反符合的通过信号.适配2路的定时电阻和定时电容,使符合信号的宽度t1(t1=0.7R1C1)大于模拟输入信号的宽度tk;通过信号的宽度t2(t2=0.7R2C2)对输出脉冲宽度有直接影响.

图3 符合/反符合控制原理实验电路

图3中符合/反符合电路各信号之间的具体时间关系如图4所示[(a)图对应符合情况,(b)图对应反符合情况]:

(a)符合电路 (b)反符合电路图4 符合/反符合电路波形图

1)符合时,符合信号为正方波,开启门电路.如果通过信号的脉冲宽度t2t1-tk,则输出脉冲宽度为t1-tk,多余宽度被t1的低电平切断.

2)反符合时,符合信号为负方波,关闭门电路.如果t2t1-tk,随着t1低电平结束而升高为高电平,t2比t1-tk多余的宽度被解禁,输出了1个不该输出的脉冲,其宽度为t2-(t1-tk),从而未起到反符合作用.

可以看出,上述符合/反符合模拟实验电路应满足以下关系:t1>tk,t2≤t1-tk.符合信号应先于通过信号.在实际应用中,可利用符合方法测量放射源的活度,如图5所示.

图5 β-γ级联衰变图

对于β-γ级联放射源,可利用β探测器和γ探测器分别测量β射线和γ射线的脉冲信号. 由于β射线和γ射线在时间上具有相关性,因此可用β射线的脉冲信号作为符合信号,γ射线的脉冲信号作为通过信号,这样测量的γ射线就可剔除环境中的天然本底γ射线和无时间关联的γ射线的干扰.

3 延迟符合/反符合

图6 延迟符合/反符合控制原理实验电路

图7 延迟符合波形图

在实际应用中,可采用延迟符合电路测量激发态的寿命.例如,利用β探测器探测β信号,再将经过延迟输出后的β信号与退激发的γ信号进行延迟符合(图5),延迟时间能够反映激发态持续的时间.同样,在中子飞行时间的测量上,中子起飞时的起飞信号经过延迟输出后与中子飞行后被探测到的信号进行延迟符合,延迟时间也能够反映中子的飞行时间.

4 教学应用

4.1 实验器材

双路电源(1台)、数字信号发生器(1台)、数字示波器(1台)、双路单稳态芯片74LS123(2个)、与非门芯片74LS00(1个)、电阻电容若干、面包板(1块).

4.2 教学内容

学生使用面包板根据图3和图6独立完成搭建电路.搭建完毕后,用万用表测量相关的静态工作点,完成电路调试.调试结束后,输入矩形脉冲,用示波器测量电路中以数字标示的各输出点的波形,完成图4和图7中的波形图,对符合、反符合、延迟时间、成形时间等符合电路元素进行研究.该电路中的输入脉冲的宽度、频率以及电路的成形时间、延迟时间相关的电容电阻等参量均由学生自由选择,这些参量之间存在匹配关系.通过以上安排,培养学生独立探索的能力.

4.3 教学效果

该实验是大四秋季学期的核物理专业实验之一,已经在核物理专业应用2届.通过该实验,学生对符合/反符合的各个单元有了较直观的认识,尤其是在确定相关参量过程中对符合电路的特点有了深入的理解,该电路元件数量适中,学生可在4学时内完成实验.该实验与理论课“核电子学”课程中的“符合电路”内容实现了很好的配合,完成了该教学内容的理论联系实际.

5 结束语

本文设计的符合/反符合核电子学实验电路采用较少的模块完成了对符合、反符合、延迟符合、延迟反符合电路的分析和讨论,所用器件常用易得,利于学生灵活分析电路输出信号的各种影响因素,通过不同的采样点清晰地了解符合测量电路的特点,有利于学生掌握电路细节.另外,结合实际的核物理实验,可利用该电路将初始的输入信号分作2路,而不再使用1个方波信号构造2路信号.该实验能够加深学生对于符合过程的理解,提升学生的知识应用水平.