符合/反符合實(shí)驗(yàn)電路的開發(fā)及教學(xué)實(shí)踐

馮啟春,任延宇,霍 雷,王清尚

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院 近代物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)

核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是核物理專業(yè)的重要教學(xué)組成環(huán)節(jié),是與核物理其他專業(yè)尤其是核電子學(xué)專業(yè)課程相配合的實(shí)驗(yàn). 核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是理論與實(shí)踐密切結(jié)合的基礎(chǔ)課程,能夠幫助學(xué)生初步掌握核物理的研究方法,以及核物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、一般流程和規(guī)律. 該實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生正確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,還能夠提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,以及善于發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實(shí)際問題的能力.

符合/反符合技術(shù)已在各個(gè)研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(cè)量[8]、量子通訊[9]等. 因此,符合/反符合實(shí)驗(yàn)是核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)中比較典型的實(shí)驗(yàn).

現(xiàn)在很多符合實(shí)驗(yàn)都是使用儀器插件,例如BH1221型符合/反符合插件,需配合NIM機(jī)箱使用[10]. 插件類儀器使用方便,但會(huì)導(dǎo)致學(xué)生缺少對(duì)電路細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí),并且不能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)電路細(xì)節(jié)的理解,無法在教學(xué)上達(dá)到最好效果,不利于對(duì)核電子學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng). 為了滿足核物理專業(yè)的教學(xué)要求,本文設(shè)計(jì)了符合/反符合實(shí)驗(yàn)電路,采用較少的器件即可完成實(shí)驗(yàn),并且能夠?qū)崿F(xiàn)2路信號(hào)的符合、反符合、延遲符合、延遲反符合等功能. 該實(shí)驗(yàn)電路適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),并在2022年的春季學(xué)期進(jìn)行了實(shí)際教學(xué),取得了較好效果.

1 符 合

1.1 符合的概念

符合是在給定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上事件的現(xiàn)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(shí)間相關(guān)性來測(cè)量該組事件的1個(gè)量或幾個(gè)量的方法.

1組事件的時(shí)間相關(guān)性是指該組事件的各個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生或在一定時(shí)間間隔內(nèi)相繼發(fā)生的現(xiàn)象. 例如,核級(jí)聯(lián)衰變所釋放出的粒子之間在時(shí)間上相關(guān)聯(lián);1個(gè)高能粒子先后穿過2個(gè)探測(cè)器而被2個(gè)探測(cè)器相應(yīng)探測(cè)到的2個(gè)事件在時(shí)間上也是相關(guān)的;若把1個(gè)信號(hào)的各個(gè)參量分別作為1個(gè)事件,而這些參量形成的1組事件在時(shí)間上也是相關(guān)聯(lián)的.

實(shí)現(xiàn)符合方法的裝置稱為符合裝置,由探測(cè)器和包含符合電路單元的電子儀器組成. 符合測(cè)量是通過2個(gè)關(guān)聯(lián)信號(hào)中的1個(gè)信號(hào)來確定另外1個(gè)信號(hào)的存在,并將其記錄. 反符合測(cè)量則是用時(shí)間上與待測(cè)量具有相關(guān)性的信號(hào)來剔除待測(cè)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(dāng)電路的2個(gè)或者2個(gè)以上的輸入線路同時(shí)或者在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)都接收到脈沖輸入時(shí),符合電路才產(chǎn)生1個(gè)有效脈沖輸出. 符合電路通常采用門電路進(jìn)行控制,可以采用與非門電路,一個(gè)輸入端加載符合開門信號(hào),另一個(gè)輸入端加載符合通過信號(hào). 符合測(cè)量原理框圖如圖1所示,2個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)相配合,可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)符合、瞬時(shí)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(cè)量原理框圖

1)瞬時(shí)符合:符合信號(hào)為高電平,開啟與非門,可使信號(hào)通過.

2)瞬時(shí)反符合:符合信號(hào)為低電平,關(guān)閉與非門,禁止信號(hào)通過.

3)延遲符合:通過信號(hào)經(jīng)延時(shí)后,符合信號(hào)為高電平時(shí),可使信號(hào)通過.

4)延遲反符合:通過信號(hào)經(jīng)延時(shí)后,符合信號(hào)為低電平時(shí),禁止信號(hào)通過.

1.3 符合電路的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)能夠體現(xiàn)符合電路原理的實(shí)驗(yàn),可以采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有整形、定時(shí)和延時(shí)的功能. 本實(shí)驗(yàn)采用的雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片74LS123內(nèi)含2個(gè)獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器, 可上升沿觸發(fā),也可下降沿觸發(fā),可前沿觸發(fā),也可后沿觸發(fā),2個(gè)輸出端的輸出極性相反. 使用時(shí),只需外接1個(gè)定時(shí)電阻和1個(gè)定時(shí)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(shí)驗(yàn)電路如圖3所示,由1片雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(hào)同時(shí)加到2個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端.可將正方波信號(hào)的前沿(即上升沿,↑)和后沿(即下降沿,↓)作為1組在時(shí)間上相關(guān)的2個(gè)事件,用前沿(↑)觸發(fā)產(chǎn)生的輸出正負(fù)方波作為符合/反符合的符合控制信號(hào);用后沿(↓)觸發(fā)產(chǎn)生的正方波信號(hào)作為符合/反符合的通過信號(hào).適配2路的定時(shí)電阻和定時(shí)電容,使符合信號(hào)的寬度t1(t1=0.7R1C1)大于模擬輸入信號(hào)的寬度tk;通過信號(hào)的寬度t2(t2=0.7R2C2)對(duì)輸出脈沖寬度有直接影響.

圖3 符合/反符合控制原理實(shí)驗(yàn)電路

圖3中符合/反符合電路各信號(hào)之間的具體時(shí)間關(guān)系如圖4所示[(a)圖對(duì)應(yīng)符合情況,(b)圖對(duì)應(yīng)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(shí),符合信號(hào)為正方波,開啟門電路.如果通過信號(hào)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(shí),符合信號(hào)為負(fù)方波,關(guān)閉門電路.如果t2t1-tk,隨著t1低電平結(jié)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(gè)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(shí)驗(yàn)電路應(yīng)滿足以下關(guān)系:t1>tk,t2≤t1-tk.符合信號(hào)應(yīng)先于通過信號(hào).在實(shí)際應(yīng)用中,可利用符合方法測(cè)量放射源的活度,如圖5所示.

圖5 β-γ級(jí)聯(lián)衰變圖

對(duì)于β-γ級(jí)聯(lián)放射源,可利用β探測(cè)器和γ探測(cè)器分別測(cè)量β射線和γ射線的脈沖信號(hào). 由于β射線和γ射線在時(shí)間上具有相關(guān)性,因此可用β射線的脈沖信號(hào)作為符合信號(hào),γ射線的脈沖信號(hào)作為通過信號(hào),這樣測(cè)量的γ射線就可剔除環(huán)境中的天然本底γ射線和無時(shí)間關(guān)聯(lián)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(shí)驗(yàn)電路

圖7 延遲符合波形圖

在實(shí)際應(yīng)用中,可采用延遲符合電路測(cè)量激發(fā)態(tài)的壽命.例如,利用β探測(cè)器探測(cè)β信號(hào),再將經(jīng)過延遲輸出后的β信號(hào)與退激發(fā)的γ信號(hào)進(jìn)行延遲符合(圖5),延遲時(shí)間能夠反映激發(fā)態(tài)持續(xù)的時(shí)間.同樣,在中子飛行時(shí)間的測(cè)量上,中子起飛時(shí)的起飛信號(hào)經(jīng)過延遲輸出后與中子飛行后被探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行延遲符合,延遲時(shí)間也能夠反映中子的飛行時(shí)間.

4 教學(xué)應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)器材

雙路電源(1臺(tái))、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器(1臺(tái))、數(shù)字示波器(1臺(tái))、雙路單穩(wěn)態(tài)芯片74LS123(2個(gè))、與非門芯片74LS00(1個(gè))、電阻電容若干、面包板(1塊).

4.2 教學(xué)內(nèi)容

學(xué)生使用面包板根據(jù)圖3和圖6獨(dú)立完成搭建電路.搭建完畢后,用萬用表測(cè)量相關(guān)的靜態(tài)工作點(diǎn),完成電路調(diào)試.調(diào)試結(jié)束后,輸入矩形脈沖,用示波器測(cè)量電路中以數(shù)字標(biāo)示的各輸出點(diǎn)的波形,完成圖4和圖7中的波形圖,對(duì)符合、反符合、延遲時(shí)間、成形時(shí)間等符合電路元素進(jìn)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(shí)間、延遲時(shí)間相關(guān)的電容電阻等參量均由學(xué)生自由選擇,這些參量之間存在匹配關(guān)系.通過以上安排,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索的能力.

4.3 教學(xué)效果

該實(shí)驗(yàn)是大四秋季學(xué)期的核物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)之一,已經(jīng)在核物理專業(yè)應(yīng)用2屆.通過該實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)符合/反符合的各個(gè)單元有了較直觀的認(rèn)識(shí),尤其是在確定相關(guān)參量過程中對(duì)符合電路的特點(diǎn)有了深入的理解,該電路元件數(shù)量適中,學(xué)生可在4學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)與理論課“核電子學(xué)”課程中的“符合電路”內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了很好的配合,完成了該教學(xué)內(nèi)容的理論聯(lián)系實(shí)際.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的符合/反符合核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)電路采用較少的模塊完成了對(duì)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(xué)生靈活分析電路輸出信號(hào)的各種影響因素,通過不同的采樣點(diǎn)清晰地了解符合測(cè)量電路的特點(diǎn),有利于學(xué)生掌握電路細(xì)節(jié).另外,結(jié)合實(shí)際的核物理實(shí)驗(yàn),可利用該電路將初始的輸入信號(hào)分作2路,而不再使用1個(gè)方波信號(hào)構(gòu)造2路信號(hào).該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對(duì)于符合過程的理解,提升學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用水平.