HAL Id: jpa-00212749
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Submitted on 1 Jan 1959
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Circuit à coincidence utilisant la conversion
temps-amplitude
S. Gorodetzky, Th. Muller, M. Port, G. Bergdolt, J. Graff
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
LE RADIUM
’
PHYSIQUE
APPLIQUÉE
CIRCUIT
A COINCIDENCE UTILISANT LA CONVERSION TEMPS-AMPLITUDEPar S.
GORODETZKY,
TH.
MULLER,
M.PORT,
G. BERGDOLT et J.GRAFF,
Résumé. 2014 Dans ce travail on étudie
le fonctionnement d’un circuit à coïncidences utilisant la conversion temps-amplitude.
Avec les lignes court-circuit utilisées, le convertisseur a une plage linéaire de 0,5 .1020148 sec et une
variation de retard de 2,5.10201411 sec correspondant à une variation d’amplitude de 1 %. Abstract. 2014 We have studied a time to
pulse height converter. With the
clipping
lines used, the converter has a linear region of 0,5 .10-8 sec and a variation in delayof 2,5. 10201411 sec corres-ponds to a variation inamplitude
of 1 %.Tome 20 SUPPLÉMENT Au No 7 Juillet 1959
Introduction. --
Dans ce travail nous avons
étudié le fonctionnement de nos circuits à
coïnci-dence,
dans undispositif
en convertisseurtemps-amplitude. L’avantage
de cette méthode bienconnue
[1]
est depouvoir
déterminer la courbe derésolution du circuit en une
opération.
Cettetech-nique
estégalement
très utile pour la mesure devies moyennes et de
temps
de vol. A cet effet ontransforme les différences de délai entre deux
impulsions parvenant
au circuit à coïncidences enimpulsions
dontl’amplitude
estproportionnelle
àla différence de délai. Il est
désirable
d’avoir unerelation linéaire entre les deux
grandeurs.
Schéma du circuit
complet.
- Nous utilisonspour le convertisseur
temps-amplitude
les éléments suivants(fig. i) :
1)
Desphotomultiplicateurs
6342 suivis de deuxamplificateurs
distribués dutype
Hewlett-Packardet d’un
amplificateur
àlarge
bandepassante
àquatre étages
delampes
à émission secondaire.2)
Le circuit à coïncidences dutype
Garwin monté sur deuxlignes
coaxiales fenduesqui
per-mettent de faire varier les délais.
Les
impulsions
de sortie du circuit à coïncidences sontamplifiées
par unamplificateur
linéaire dutype
A 1 C etenregistrées
sur unanalyseur
à100 canaux. Les deux câbles court-circuit du
dis-positif
à coïncidences ont unelongueur
électrique
aller-retour de
1,80
m.Les essais de
mise
aupoint
du circuit ont étéeffectués à
l’aide
d’impulsions
venant d’un seulphotomultiplicateur
attaquant
les deux canaux ducircuit à coïncidence. Les
impulsions
duphoto-multiplicateur correspondaient
à uneénergie
Fm. 1. - Circuit à coïncidence à
lignes fendues.
de 1 MeV. Par
déplacement
du circuit de coïn-cidence sur leslignes
fendues,
des différences dedélai variables
pouvaient
être introduites entre lesdeux canaux de coïncidence. Ces différences de
délai
permettent
de calibrer l’ensemble des c,rcuitset d’établir le coefficient de conversion
temps-amplitude :
Volts/1Q-1°
sec pourchaque
partie
de la courbe de conversion.’
lit
50
Mesure de la relation
temps-amplitude.
-La
figure
2 montre la forme des courbes relevées surl’analyseur
à 100 canaux pourquelques
différencesde délai. Pour ces
courbes,
nous avonsporté
enabscisse les canaux
(ou volts)
del’analyseur (ou
del’impulsion
de sortie dusystème
decoïncidences)
et en ordonnée le nombred’impulsions
par unité detemps.
Les valeursmarquées
sur les courbes sont les valeurs de différences de délai en cm deligne
fendue
(la
vitesse depropagation
est sensiblementla vitesse de la lumière. La courbe
marquée
0correspond
à une différence de délainulle).
Lemaximum de ces courbes se
déplace
en fonction dudélai. Si on
augmente
suffisamment la différence dedélai on n’obtient
plus
de coïncidences réelles etles
impulsions
sortant du circuit à coïncidencescorrespondent
toutes à desimpulsions
isolées. Dans ce casquelle
que soit la différence de délai(positive
ounégative)
lesimpulsions
provenant
du circuit à coïncidences
gardent
une valeur cons-tante. Ces courbes toutessuperposées
sont loca-lisées dans lepremier
canal et ne sont pasindi-quées
sur lafigure
2. Si on diminueprogressi-Fie. 2. -
Amplitude des signaux de coïncidence
’ _
en fonction du délai.
vement les différences de délais
(positives
ounégatives)
laposition
du maximum de cescour-bes se
déplace
vers les canauxplus
élevées. Cecicorrespond
à unesuperposition
deplus
enplus
parfaite
desimpulsions
venant des deux canaux ducircuit à coïncidences. Cette
superposition
estoptimum
si la différence de délai aux deux entréesdu circuit à coïncidences est nulle. C’est à ce
point
que les
impulsions
de sortieatteignent
leur valeurmaximum
(canal 72).
Ledéplacement
des courbes +40, + 20,
+ 0
estplus
faible dans cetterégion
de différences de délais ainsi que l’on constate sur
la
figure
2. Ceci tient à la forme desimpulsions
servant à
attaquer
le circuit de coïncidence.Quand
on
augmente
la différence de délai àpartir
de 0vers les valeurs -
20,
-40,
etc...,
les courbesreprennent
despositions
comparables
auxpositions
marquées
+20,
+40,
etc... Autour de la valeurmaximum la variation est
plus
faible que dans larégion
linéaire(A
- B, fig. 4).
La forme descourbes +
200, + 160,
etc...permet
de tirer des conclusionsquant
à la fluctuation de la résolution. Pour desimpulsions
carréesparfaites
de taillesuffisante,
lalargeur
des courbes + 200 ... estnulle. Nous pouvons
approcher
ce cas desiiiipul-sions artificielles. Dans ce cas les courbes étaient
réduites à un seul canal. Pour des événements
identiques, le
déplacement
des courbespermet
enfonction de la différence de
délai,
de calculer laforme des
impulsions envoyées
à l’entrée du circuità coïncidence.
Si nous
portons
sur un deuxièmegraphique
lavariation de
l’amplitude
desimpulsions
en fonctionde la variation de la différence de
délai,
nousobtenons la courbe
figure
3. Dans cettefigure
nous avonsporté
en abscisse les différences dedélais,
exprimées
en cm(vitesse
depropagation ==
vitessede la
lumière)
et en abscisse la hauteur desimpul-sions en volts. Cette courbe nous donne donc
imrné-FIG. 3. - Courbe de conversion en
amplitude-temps
du circuit à coïncidence.
diateltlezlt la relation
temps-amplitude.
Cette rela-tion est une fonction linéaire entre les valeurs+ 100
et +200,
c’est-à-dire laplage
linéaire estde l’ordre de
0,5.10-8
sec.°
Dans cette
région
une variation del’amplitude
de 1
% correspond
à2,5.10-11
sec.composition
de la courbetemps-amplitude.
- Nousallons d’abord considérer des
impulsions
rectan-gulaires identiques attaquant
un circuit à coïnci-dences dont lesimpulsions
de sortie sontpropor-tionnelles à la
partie superposée
de la surface desimpulsions.
Dans ce cas nous obtenons une courbede conversion
temps-amplitude
dont la forme estcelle de la
figure
4(A, B, C) lorsque
les différencesFI G. 4.
de délai
passent
d’une valeurpositive supérieure
à une fois la
longueur
électrique
desimpulsions
à une valeurnégative
également supérieure
à unefois cette
longueur.
Si lesimpulsions isolées
donnentune
petite impulsion
à la sortie du circuit(ce qui
est
toujours
lecas)
la courbeindiquée
enpointillé
(fin.
4)
est valable. Si nous considérons maintenantdes
impulsions
trapézoïdales identiques,
nousobte-nons la courbe
figure
5. Cette courbe se compose :de deux droites horizontales E -
El
et E’ -E‘1
aux deux extrémités
correspondant
auximpulsions
isolées. Ces droites ont une
légère pente,
indiquée
en
pointillé,
si l’on tientcompte
de l’atténuationdes
impulsions quand
on introduit des délais deplus
enplus grands
defaçon
continue. Ces deuxparties
sont suivies d’unepartie
parabolique
EF et E’F’ àpartir
du moment où les deuximpulsions
en coïncidence commencent à se superposer entre A
et B
(da-ris l’encadreineiit
de lafigure
5 rune des1"1;. 5.. ,
impulsions
estindiquée schématiquement,
l’autreimpulsion
estidentique
mais sedéplace
en sensinverse).
Au moment où lespoints marqués (B)
surles deux
impulsions
serecouvrent,
l’augmentation
de
l’amplitude
desimpulsions
de sortie continue selon une fonction linéaire de la différence de délai.Ceci
correspond
à lapartie
de la courbeamplitude-temps
qui
nous intéressemarquée
F - G etF’ -
G’. De nombreux
phénomènes,
autres queceux considérés
ici,
peuvent
intervenir pour pro-duire un arrondi(H)
au sommet de la courbe derésolution pour donner celle que nous observons
(fig. 3)
etqui correspond
à E’F’G’H de lafigure
5.Pente de la courbe de conversion
temps-amplitude.
-L’étendue des
parties
linéaires estd’autant
plus importante
que lesimpulsions
ont une formeplus
voisine de la formerectangulaire,
ceci veut dire que lapartie
linéaire est d’autantplus
développée
que letemps
de montée des impul-sions estplus petit
(toutes
choseségales d’ailleurs)
où encore que la
longueur
totale desimpulsions
devient
plus grande
àtemps
de montéeégal.
Lestemps
de montée lesplus
courts que l’onpeut
obtenir sont ceux que
permettent
d’atteindre lestubes 6 810 A et sont de l’ordre de 1.10-9 sec.
La
pente
de lapartie
linéaire est fonction de lalongueur électrique
des câbles court-circuit. Lapente
est déterminée par les câbles du court-circuit et ne variepratiquement
pas à delongs
moisd’intervalle,
ainsi que nous l’avons vérifié.Des câbles court-circuit
longs
donnent unepente
plus
faible que le même circuit avec des câbles courts.La
plage
d’utilisation de lapartie
linéaire versles
grandes
différences de délais(cas
de mesure de viesmoyennes) dépend
de la formeplus
ou moins carrée desimpulsions,
de lalongueur
des câblescourt-circuit et du niveau des
impulsions
isolées;
Le niveau desimpulsions
isolées met fin à cettepartie
linéaire(fig. 4).
Fluctuations dues aux
amplificateurs
et aux cir-cuitsélectriques
associés au circuit à coïncidence.-Les
amplificateurs
sontattaqués
par un seulphotomultiplicateur
muni d’un cristal de NaI etseules les
impulsions
de l’ordre de 1 MeV sont utilisées. En faitl’impulsion
électrique
sortant dumultiplicateur
est divisée en deux et atténuée par les câbles nécessaires au branchement et les capa-citésparasites supplémentaires
ainsi introduites etcorrespond
à environ 300 keV.Les
impulsions
arrivent donctoujours
ensyn-chronisme
rigoureux
à l’entrée desamplificateurs
des deux canaux de la coïncidence. Si ceux-ci ainsi que le circuit de coïncidence n’introduisaientaucune fluctuation de retard ou
d’amplitude,
lacourbe
marquée
parexemple
+ 20(fig. 2)
aurait unelargeur
nulle. Lalargeur
à mi-hauteur de lacourbe +
20qui
est située dans lapartie
linéaire de la courbe de conversiontemps-amplitude ( fig. 3)
permet
de calculer la fluctuation moyenneintro-duite par les circuits. Si l’on
emploie
desimpul-sions d’un
générateur
donnant desimpulsions
rapides
lalargeur
à mi-hauteur des courbes52
300 keV la fluctuation moyenne est de
0,75.10-9
sec.La forme des courbes
(
+20,
-20
etc.)
al’appa-rence d’une courbe de Gauss modifiée par la
largeur
finie des canaux de
l’analyseur
à 100 canaux.Exemple
de courbe de conversion en coincidencesréelles. - Le schéma du
montage
utilisé est celuiFI G. 6.
indiqué figure
6. Nousenregistrons
lesimpulsions
de coïncidence
correspondant
àl’absorption
d’uneFi. 7. -
Courbe de conversion en
amplitude-temps.
(Coïncidences réelles.)énergie
de 1MeV +
200 keV danschacun’
des deux cristaux. Lafigure
7 montre la courbe derésolution ainsi obtenue.
Calcul de la courbe de résolution et de la
pente
de cette courbe. - Apartir
des courbes decon-version
temps-amplitude
et de la distribution desimpulsions
pour une différence de délaidonnée,
.
nous pouvons déterminer les courdes de résolution et le
temps
de résolution 2T. Nousappelons
cburbede résolution la courbe nombre
d’impulsions
dépas-sant une certaine taille en fonction du délai. Nous
pouvons
également
déterminer lapente
de lacourbe de résolution. Tout d’abord considérons pour une différence de délai donnée la distribution
d’amplitude
desimpulsions
sortant du circuit à coïncidences(fig.
2).
Considérons les trois courbesmarquées
+120, +
160 et + 200. Si nousplaçons
la fenêtre d’un sélecteur à un canal entre les
canaux 37 et
49,5 (ces
deuxpoints
correspondent
aux
points
d’intersection des courbes+
200 et+
160 et+
160 et + 120respectivement)
nousenglobons
de 95%
desimpulsions
sortant du circuit à coïncidences à la différence de délai+ 160.
Le rendement de détection de coïncidences sera
donc
supérieur
à 95%.
Nous pouvons maintenanttracer par
interpolation
les courbescorrespondant
à une différence de délai
+
165,
+ 170,
+
175,
et
+ 155,
+
150,
+ 145,
etc... La fenêtre de notresélecteur à un canal restant fixe. Ce sélecteur à un
canal nous sert à
prendre
lacourbe
derésolution,
c’est-à-dire à
compter
le nombre de coïncidences enfonction
de
la différence de délai. Unepartie
de la surfacede
la courbemarquée
+ 155
dépasse
lalimite
supérieure (canal 49,5).
Lesimpulsions
com-posant
cette surface ne sontplus comptées
surl’échelle. En continuant ainsi nous pouvons
cons-FIG. 8. - Courbes de résolution déduites des courbes amplitude-temps.
truire la courbe de résolution. La
figure 8(A)
montre cette courbe. Le
temps
de résolution 2r est :1,33.10-9
sec. Lapente
de la courbe est 4.10-10 secDe la même
façon
nous avons construit la courbefenêtre entre le canal 26 et 54 dans le deuxième cas
du canal 42 - 46
(fig. 8(B)
et8(G)).
La mêmeméthode a été
appliquée
à la courbe de résolutionen coïncidences
réelles.
Une autresigni fication
des courbes(fig.
2)
est claire immédiatement : ellesnous donnent le
temps
de résolution ultime du circuit dans les conditions où nousl’utilisons,
c’est-à-dire pour des
impulsions
d’une certaine taille etd’un certain
temps
demontée,
que ce soit en coïnci-dences artificielles ou réelles. Eneffet,
si le sélec-teur à un canal a une fenêtre trèsétroite,
lerende-ment de la coïncidence
diminue,
et letemps
de résolution tend vers une valeur limiteimpossible
àdépasser.
Dans les conditions del’expérience
cettevaleur limite est 2r == 6.10-10 sec. Pour des
impul-sions artificielles d’un
temps
de montéeplus
court,
cette valeur
peut
êtrebeaucoup
’plus petite.
Defaçon générale
cette valeur estsimplement égale
àdeux fois la valeur de la
pente
de l’unedes
courbesde la
figure
2 dans larégion
linéaire de la courbe de conversiontemps-amplitude.
On voit facilementque dans cette
région
les courbes +200,
etc... de lafigure
2représentent
des courbes de résolution à la limite du meilleurtemps
de résolutionpossible
Nous pouvons aussi déduire la
pente
de la courbe de résolution directement de la forme des courbes(fig.
2)
pour un rendementquelconque.
Pour unrendement de 100
%,
cette détermination se faitcomme suit. Nous nous fixons par
exemple
unseuil
supérieur
(ou inférieur)
del’analyseur
à uncanal et nous faisons passer la courbe
(+ 160)
par le seuilsupérieur
(ou
inférieur)
en faisant varier ledélai vers
+
120(ou
+
200).
Lapente
maximum est obtenuequand
lapointe
de la courbe passe parle seuil de discrimination. Dans ce cas une
petite
variation de délai
produit
la variation maximum du nombred’impulsion comptées.
Circuit à coincidence pour la conversion
temps-amplitude.
- Le circuit à coïncidence que nousavons utilisé est le circuit bien connu de Garwin
[2].
La différence
d’amplitude
entre lesimpulsions
de coïncidence et desimpulsions
isolées est de l’ordre de 20-50 à 1 au moins. D’autrepart
ce circuit n’estpas un
circuit
d’addition linéaire desimpulsions
venant des deux canaux. Bien aucontraire,
parsuite des éléments non
linéaires,
tels que les diodesdans le circuit
plaque,
on cherche à améliorer la distinction entreimpulsions
isolées etimpulsions
de coïncidence. Avec un tel circuit on ne s’attend
pas à obtenir un convertisseur
temps-amplitude
linéaire.Cependant
ainsi que nous l’avons montré une telle relation linéaire existe. Ceci tient àplusieurs
raisons :1)
Entre deuximpulsions
isolées et deuximpul-sions en coïncidence
parfaite,
il existe tous les inter-médiairespossibles
de recouvrementpartiel
desimpulsions.
Nous ne sommes pas intéressésdirec-tement par la
différence
qui
peut
exister
entreimpulsions
isolées etimpulsions
de coïncidencemais
plutôt
par la variation desimpulsions
decoïncidence en fonction du recouvrement des
impulsions
à l’entrée du circuit.C’est cette relation
qui
est linéaire dans delarges
limites.
2)
A cause descapacités parasites
inévitables et à cause de la brièveté desimpulsions
à l’entrée et encorebeaucoup
plus
à la sortie à cause du recou-vrementpartiel
desimpulsions,
les variations des tensionsplaques
deslampes
de coïncidences sontfaibles et on reste essentiellement dans la
région
de variation linéaire. L’introduction d’éléments nonlinéaires telles que les diodes dans les circuits
plaques
nechange
rien à ce raisonnement.Distinction du
signe
de la différence de délai.-Il est
important
de savoirdistinguer
une avance ouun retard des
impulsions
de l’un des canaux parrapport
à l’autre. Le circuit à coïncidences mesureFIG. 9.
uniquement
une différence de délai entre les deuximpulsions.
Si nousplaçons
le circuit à coïncidencesau maximum de la courbe de résolution
(nombre
d’impulsions dépassant
un certain niveau enfonc-tion de la différence de délai entre les deux
canaux),
les
impulsions
correspondant
à une mêmediffé-rence de retard auront une même
amplitude. Que
les
impulsions
correspondent
à une avance dans uncanal ou un
retard,
elles vont donc s’inscrire dans lemême canal de
l’analyseur temps-amplitude.
Pourpouvoir
déterminer à la fois la différence de délaiet son
signe
il suffit dedéplacer
le circuit defaçon
à54
marquer le
temps
0(dans
une mesure de viemoyenne par
exemple)
une différence de retardgrande
mais à l’intérieur de larégion
linéaire de lacourbe de conversion par
rapport
auximpulsions
du deuxième canal. Dans ce cas les
impulsions
encoïncidences
parfaites
seront lesimpulsions
lesplus
petites,
lesimpulsions
venant du deuxième canalavec un retard auront alors une
amplitude
aug-mentant avec le retard.Dans le cas où le circuit doit servir à déterminer
une courbe de résolution
prompte,
on mettra le circuit au milieu de lapartie
linéaire. Si lesimpul-sions du deuxième canal sont en coïncidence
par-faite elles auront une
amplitude
v. Si elles ont une avance elles auront uneamplitude v
+ «
et dans le cas d’un retard elles auront uneamplitude v
-a.
En
effet,
il faut serappeler
que lapartie
linéaire de notre courbecorrespond
à unesuperposition
par-tielle de nos
impulsions.
Si lasuperposition
aug-mente,
l’amplitude
augmente.
La
figure
9 montre lespectre
desimpulsions
pro-venant du circuit à coïncidence pour une différencede délai
nulle, enregistré
sur unanalyseur
à100 canaux.
Manuscrit reçu le 27 avril 1959. "
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