Ein schneller Zeit-Impulshöhenkonverter

NUCLEAR

INSTRUMENTS

AND

METHODS

24 (1963)

197~212~

NORTH-HOLLAND

PUBLISHING

CO.

FIN SCHNELLER ZE1T-IMPULSHOHENKONVERTER H. JUNG

Labovato~ium 1. Ker~tphysih, Eidg. Tech~t. Hochschule, Zf~rich E i n g e g a n g e n a m 16. F e b r u a r 1963

A f a s t t i m e - t o - p u l s e - h e i g h t c o n v e r t e r h a s been d e s i g n e d w i t h h i g h t i m e resolution for time-of-flight m e a s u r e m e n t s . Conversion h a s b e e n a c c o m p l i s h e d t h r o u g h t h e principle of c h a r g i n g of a c a p a c i t a n c e b y a c o n s t a n t c u r r e n t w i t h special c i r c u i t r y to a c h i e v e i m p r o v e m e n t in linearity, response a n d stability. F o r instance, t h e inclusion of a c u r r e n t - s t a b i l i s i n g c i r c u i t effects a n a p p r e c i a b l y b e t t e r t h a n ten-fold i m p r o v e m e n t i n t i m e resolut i o n a n d i n c o r p o r a t i o n of a pulse r e s e t m a r k e d l y s h o r t e n s t h e d e a d time.

T h e c o n v e r t e r o p e r a t e s o v e r t h r e e r a n g e s : 0 - 2 0 ns, 0-50 n s a n d 0-100 ns, t h e t i m e - t o - p u l s e - h e i g h t conversion b e i n g p r a c t i cally linear o v e r each r a n g e employed. T h e o u t p u t pulse r a n g e c a n be r e g u l a t e d f r o m 0-24 V t o 0 - 6 4 V, a n d t h e pulse w i d t h s to lie b e t w e e n 0,5 ~as a n d 5/~s. T h e pulse r a n g e w i t h o u t t h e o u t p u t amplifier is confined t o 0 - 9 V. T h e m a x i m u m c o n v e r s i o n r a t e is (periodicaLly) a b o u t 10° conversions p e r sec. for o u t p u t pulses of w i d t h 0.5/~s. T h e t i m e resolution of t h e time-to-pulseh e i g h t c o n v e r t e r is smaller t h a n 4.8 X 10 -11 s.

1. Einleitung

allem durch ausserhalb des Konverters liegende Ursachen beschr~inkt wird, l ~ s t sich das hohe Aufl6sungsverm6gen des Zeit-Impulsh6henkonverters nicht unmittelbar ausnutzen. Es schaltet jedoch den Konverter a_ls Fehlerquelle praktisch aus. Und nicht zuhtzt stellt die Ent-

Fiir Flugzeitmessungen wurde ein Zeit-Impulsh6henkonverter mit folgenden Eigenschaften entwickelt: Messbereiche: 20 ns, 50 ns, 100 ns. Eingangsimpulse: negativ, Mindesth6he 2 V.

AtUL't~TOR

-

/ t U ~

F i g . I. B l o c k s c h e m a .

Ausgangsimpulse : positiv, H6he 0... 64V, L~_ge einsteUbar zwischen 0.5/as und 5/ts. Konversion : linear. Konversionszahl: max. 1 MHz (periodisch). Zeitaufl6sung: < 4.8 ps. Da die Zeitaufl6sung bei Flugzeitmessungen vor

wicklung einer schnellen und zugleich stabilen Schaltung ein recht interessantes elektronisches Problem dar.

2. Prinzip (Fig. 1) Die Zeit-Impulsh6henkonversion geschieht nach 197

198

H. J U N G

einem bekannten Prinzipl). Jeder negative Spannungssprung, der an einem der beiden Eing~inge erscheint, erzeugt am Ausgang der Koinzidenzstufe einen positiven Rechteckimpuls der L~nge 2T und der H6he Vo. Erscheint innerhalb der Zeit 2T an beiden Eing~ingen je ein Signal mit dem gegenseitigen zeitlichen Abstand A t (Fig. 2), so entsteht am Ausgang der Koinzidenzstufe das treppenf6rmige Ueberlagerungssignal der beiden zugeh6rigen Rechteckimpulse (Fig. 3). W~ihrend der Ueberlagerungszeit T' = 2T -

At

ist die gesamte Impulsh6he 2V o. Ein nachfolgender Diskriminator l ~ s t nur den fibeflagerten Teil des Impulses hindurch und liefert am Ausgang einen negativen Rechteckimpuls der L~inge T ' (Fig. 4). Dieser Impuls wird dem eigentlichen Konverter zugeffihrt und sperrt hier wiihrend der Zeit T' die Pentode V,. Ein Kondensator C, der parallel zu V, liegt, iibernimmt im Sperrzustand der R6hre deren Anodenstrom I. Dabei steigt die Spannung fiber C um den Betrag I

AV = ~ T

,

R6hre V4 ab. Dieser Strom wird durch einen Pr~izisionswiderstand R geleitet. Der SpannungsabfaU fiber R steuert mit Hilfe eines Stromstabilisators die Schirmgitterspannung von V4 derart, dass eine stabilisierende Wirkung auf I eintritt. Dutch diese Stromstabflisierung wird das Aufl6sungsvermOgen des Konverters mehr als zehnmal erhfht. Damit die Konversion linear erfolgt, muss der

Fig. 2. Koinzidenzstufe, Eing~nge 1 und 2.

I =-~(2T--At)

(Fig. 5). Damit ist eine einfache Beziehung zwischen der Zeit A t und der Impulsh6he AV hergestellt. Fiir die einwandfreie Durchtfihrung der ZeitImpulsh6henkonversion ist es wichtig, dass alle Schaltimpulse hinreichend schnell und genfigend gross sind. Das Verhiiltnis der Anodenstr6me im eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand einer R6hre betr~igt mindestens 104. Im leitenden Zustand ffihren die ROhren durchwegs grosse Str6me, damit die statistischen Schwankungen der Elektronenemission und der Elektronenflugzeit sich m6glichst wenig auswirken k6nnen. Darfiberhinaus sind zur Verbesserung der Zeitaufl6sung und der Linearitiit sowie zur Erh6hung der zuliissigen Stosszahl noch eirdge besondere Massnahmen getroffen worden. Die Zeitaufl6sung des Konverters hiingt weitgehend yon der Stabilit~it des Anodenstroms I der x) S. Gorodetzky, R. Richert, R. Manquenoille et A. Knipper Nucl. Instr. a n d Meth. 7 (1960) 50; G. Souch~re, R a p p o r t CEA 1844 (1961).

Fig. 3. Koinzidenzstufe, Ausgangsimpuls.

Fig. 4. Diskriminator, Ausgangsimpuls.

Fig. 5. Konverter, Ausgangsimpuls ohne Impulsriickstellung.

EIN S C H N E L L E R Z E I T - I M P U L S H O H E N K O N V E R T E R

199

Strom I w~hrend der Aufladezeit T' des Konden- gestellt. Die beiden Anoden sind iiber D~rnpfungssators C konstant bleiben. Der Strum I wird von widerst~inde mit einem 125- I2-Kabel verbunden, das einer Stromquelle Q geliefert, die yon der Span- am freien Ende kurzgeschlossen und anodenseitig nungs/inderung A V des Kondensators gesteuert mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist. Die wird. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass die Strom- Kabelverbindungerfolgt mit einem Stecker, so dass man das Kabel leicht auswechseln kann. Durch die • nderung A I / I h6chstens 0.6 % betr~igt. Die zul/issige Stosszahl h~ingt davon ab, wie Kabell~nge wird der jeweilige Messbereich des Zeitschnell der Kondensator C nach beendeter Konver- Impulsh6henkonverters bestimmt. Die 3 linearen sion entladen und der Ruhestand wieder hergestellt ist. Ein Impulsriicksteller steuert die parallel zu C liegende R6hre V 6 so, dass sie nach der Zeit T o die iiberschiissige Ladung yon C ableitet. Die Entladezeit T n ist dabei praktisch gleich lang wie die Ladezeit T', so dass ein nahezu trapezf6rmiger Impuls entsteht, der sich in den nachiolgenden Schaltungen gut verarbeiten l ~ s t (Fig. 6). Die Erholungszeit des Konverters liegt dabei unter 0.5 Its. Fig. 6. Konverter, Ausgangsimpuls. Die weitere Verarbeitung der Konverterimpulse h~ingt von den Anforderungen des verwendeten Impulsh6henanalysators ab. Im vorliegenden Fall sind positive Impulse mit 0 . . . 60 V H6he, mindestens 1/ts L/inge und etwa 0.5 ~s Anstiegszeit vorgeschrieben. Zur Erfiillung dieser Bedingungen werden die Ausgangsimpulse des Konverters in den verschiedenen Stufen eines Impulsformers verst~irkt und gestreckt. In der Symmetriestufe werden die Konverterimpulse zur~ichst ladungssymmeFig. 7. Symmetriestufe, Ausgangsimpuls. trisch gemacht (Fig. 7) und anschliessend in einem Breitbandverst~irker etwa zwanzigfach verst/irkt. Gleichzeitig wird der Dachabfall korrigiert. Der nachfolgende Impulsverliingerer wird entweder extern ausgel6st oder intern durch das Impulsriickstellsigual des Konverters. Er arbeitet praktisch linear und weitgehend stosszahlunabh/ingig. Bei jeder Ausl6sung des Impulsverliingerers erscheint am Ausgang Z ein Triggersigual. Die gestreckten Impulse (Fig. 8) werden dem Endverst~irker zugeFig. 8. Impulsverl~ingerer, Ausgangsimpuls. fiihrt, dessen Verst~kung zwischen 3 und 7 einstellbar ist und der dadurch eine optimale Anpassung des H6henbereiches der Ausgangsimpulse (Fig. 9) an den Impulsh6henanalysator erlaubt.

3. Sehaltung 3.1. KOINZIDENZSTUFE (Fig. 16)

Die R6hren V 1 und V 2 sind im Normalzustand leitend. Der Anodenstrom wird bei jeder P.6hre mit der Schirmgitterspannung auf etwa 40 mA ein-

\

\

Fig. 9. Endverst~rker, Ausgangsimpuls.

200

H. J U N G

Messbereiche b t = 20ns, b2 = 50ns und ba = 100 ns werden durch 3 Kabel mit der einfachen Signallaufzeit T t = 15 ns, T 2 = 30 ns und T 3 = 55 ns gegeben. Es ist in jedem Fall b < 2T, da die Konversionskurven (Fig. 27) an beiden Enden infolge der endlichen Anstiegszeit der Impulse nicht linear verlaufen. Durch geeignete IAqngendifferenz der beiden Eingangskabel liisst sich leicht erreichen, dass die koinzidenten Eingangsimpulse in der riehtigen Reihenfolge eintreffen und eine Konversion im linearen Gebiet auslSsen. Jeder negative Spannungssprung am Eingang, der mindestens 2 V gross ist, schaltet die betreffende RShre einwandfrei aus und bewirkt an der Anode einen Rechteckimpuls mit der L~_ge 2T und der HOhe 2.5 V, Bei Koinzidenz entsteht durch Addition yon zwei gleichen, um At verschobenen Rechtecldmpulsen ein treppenfSrmiges Signal, das im Ueberlagerungsgebiet 5 V hoch ist (Fig. 3). Ftir die nachfolgende Konversion ist die I~nge T' = 2T - At der oberen Stufe entscheidend. Damit die Information nicht gest6rt wird, mtissen beide R6hren so lange gespent bleiben, bis der Additionsvorgang beendet ist. Beide Eingangsimpulse mtissen daher bei 2 V MindesthShe liinger sein als 2T. Da durch die Impulsl~nge aber die Stosszahl an den beiden Eingiingen beschriinkt wird, sollen die Eingangsimpulse die Mindestl~ge nicht wesentlich tiberschreiten. Die Impulsh6he wird durch die zuliissige negative Gitterspannung der E 810 F begrenzt und betr~igt je nach Impulsform und Stosszahl 25 bis 50 V. In der abgebildeten Schaltung sind beide Eing~-lge zun~ichst mit dem WeUenwiderstand der Zuleitungskabel abgeschlossen und dann kapazitiv mit dern Steuergitter der zugehfrigen KoinzidenzrOhre verbunden. Beide Steuergitter sind durch eine DCRestoring, bei der die Basis-Emitterdiode des Transistors OC71 benutzt wird, bis zu einem bestimmten Grade gegen Gleichstromverschiebungen geschiitzt. Es ist vorgesehen, jedem Eingang einen Impulsformer vorzuschalten, welcher die Ausgangsirnpulse eines Photomultipliersin negative Rechteckimpulse mit der H6he 2.5 V und der L~nge 3T umformt. Die gesamte Eingangsschaltung wird dann so ausgelegt, dass auch bei statistischen Impttlsen mit hoher Stosszahl keine wesentlichen Gleichstrom-

verschiebungen am Eingang der Koinzidenzr6hren auftreten kfnnen. Die Ausgangsimpulse der Koinzidenzstufe sind ladungssymmetrisch, da jedem positiven Anodenimpuls beim Wiedereinschalten der R6hre ein negativer Impuls gleicher Fliiche folgt. 3.2. DISKRIMINATORUND KONVERTER(Fig. 17) Das Steuergitter der Diskriminatorr6he V 3 ist kapazitiv mit dem Ausgang der Koinzidenzstufe verbunden. Die ankommenden Impulse bewirken wegen ihrer Ladungssymmetrie keine Gleichstromverschiebung am Eingang yon V 3. Das Steuergitter ist so weit negativ vorgespannt, dass die R6hre nut dutch positive Signale, deren Gr6sse einen bestimmten Schwellenwert tiberschreitet, eingeschaltet wird. Die SchweUe wird mit dem Potentiometer P3 so eingestellt, dass die R6hre nur dutch die obere Stufe tier treppenffrmigen Koinzidenzsignale zum Leiten gebracht wird, w~ihrend die nichtkoinzidenten Rechteckimpulse unterhalb des Cutoff liegen. Dabei erfolgt die Einstellung so, dass das Aulaufgebiet des Impulses noch unterhalb der SchweUe liegt und der R6hrenstrom erst dutch den schnellen "left der Impulsflanke eingeschaltet wird. Die Schirmgitterspannung ist so gewiihlt, dass die RShre optimal ausgesteuert wird. Die Anode ist kapazitiv mit dem geerdeten niederohmigen Arbeitswiderstand (62t~) verbunden, wiihrend die Speisung tiber einen relativ hochohmigen Widerstand (2.2 kO) erfolgt. Dadurch werden St6rsignale auf der Speiseleitung weitgehend vom Diskriminatorausgang ferngehalten. Die Grfsse der negativen Ausgangsimpulse betriigt etwa 2V (Fig. 4). Der Ausgang des Diskriminators ist kapazitiv mit der Konverterr6hre V, verbunden und tiber die Leitung 6 mit dem hochohmigen Eingang des Imp~sriickstellers. Das Steuergitter der KonverterrOhre V4 ist tiber einen hochohmigen Spannungstefler mit der Anode verbunden. Fiir langsame Spannungs~nderungendie obere Grenzfrequenz wirdim wesentlichen durch die Kopplungskapazit~it am Eingang b e s t i m m t ergibt sich dadurch eine starke Sparmungsgegenkopplung, die zusammen mit der grossen OriginalverstSxkung der RShrenstufe eine hohe stabilisierende Wirkung gegeni~ber langsamen Aenderun4~en

EIN SCHNELLER ZEIT-IMPULSHOHENKONVERTER

des Arbeitspunktes hervorruft. Dadurch werden insbesondere Gleichstromverschiebungen am Steuergitter der R6hre V 4 verhindert. Die Anodenspannung betriigt etwa 100 V, der Anodenstrom I rund 6 mA. Der Strom I, der yon der R6hre V 5 geliefert wird, durchfliesst den Pr~izisionswiderstand R und erzeugt dort den Spannungsabfall I R , der den beiden Eingiingen 8 und 9 des Stromstabilisators zugefiihrt wird. Der Ausgang 10 des Stromstabilisators ist mit dem Schirmgitter der R6hre V , verbunden. Die Schirmgitterspannung liegt bei etwa 30 V und wird so gesteuert, dass im leitenden Zustand der R6hre eine stabilisierende Wirkung auf den Anodenstrom I eintritt. Erscheint am Eingang yon V , der negative Ausgangsimpuls des Diskriminators, wird der Anodenstrom yon 6 m A auf etwa 0.1 #A reduziert. Dabei wird der Strom I vom Kondensator C iibernommen, der parallel zu V , liegt. In der Zeit T', wiihrend der die R6hre gesperrt ist, steigt die Spannung tiber C um den Betrag

201

widerstand Ro ergibt sich aus der Parallelschaltung von R o und dem Widerstand zwischen der Anode und dem Steuergitter der R6hre V 4 und betriigt in der vorliegenden Schaltung etwa 100 kO. D a m i t wird die maximale Abweichung yon der Linearitiit kleiner als 0.3 % im 100-ns-Bereich und kleiner als 0.15 % im 50-ns-Bereich. Nach beendeter Konversion muss die Ladung AQ = C . A u wieder abgefiihrt werden. Ohne Stromstabilisierung und Impulsriickstellung geschieht dies im wesentlichen iiber den Innenwiderstand der wieder eingeschalteten Konverterr6hre V,. Die Entladezeit T" ist dabei viel gr6sser als T ' (Fig. 10). Durch die Stromstabilisierung wird T" stark ver-

Au = IRo(1 -- e-r'/R°c) .

Dabei ist Ro der innere Widerstand der Quelle, die den Strom I liefert. Ist T ' ~. RoC, gilt die N~ihertlng I

Fig. 10. Konverter, Ausgangsimpuls ohne Stromstabilisierung und I mpulsriickstellung.

,

Au ~ AV = ~ T .

Mit 1 ~ 6 m A und C ~ 200 p F (einschliesslich Streukapazit~iten) betr~igt die maximale Impulsh6he AV,.,a,, etwa 3 V i m 100-ns-Bereich und etwa 1.5 V i m 50-ns-Bereich. Die Abweichung yon der Linearit~it betriigt dabei AV - Au T' < 3V 2RoC "

Der hohe Innenwiderstand R o der StromqueUe wird erzeugt, indem man dem Steuergitter der R6hre V 5, deren Kathode fiber den Widerstand R mit dem Kondensator C verbunden ist, die Spannungs~inderung /lu zufiihrt. Der inhere Wechselstromwiderstand der Quelle ergibt sich dabei zu R~ = (/a + 1)R + n i , wobei # der Verstiirkungsfaktor und R i d e r Ilmenwiderstand der R6hre Vs ist. Der effektive Innen-

Fig. I I. Konverter, Ausgangsimpuls mit Stromstabilisierung, ohne Impulsrtickstellung.

kiirzt (Fig. 11). Eine weitere Verkiirzung erfolgt durch die Impulsriickstellung. Der R6hre V6, die parallel zu V , und C liegt und im Normalzustand gesperrt ist, wird nach beendeter Konversion vom Ausgang 7 des Impulsriickstellers her ein positiver Impuls der L~inge T' zugefiihrt. Dadurch wird V 6 so weit ge6ffnet, dass die Ladung AQ in der Zeit T " = T ' wieder abgefiihrt wird. Aut diese Weise entsteht ein tlapezf6rmiges Signal, das fiber den Kathodenfolger V7 dem Konverterausgang zugeftihrt wird (Fig. 6).

202

H. JUNG

Das Ausgangskabel, das die Verbindung zur Symmetriestufe herstellt, wird bei der Verwendung des 20-ns-Bereichs oder des 50-ns-Bereichs an der Buchse 4 angeschlossen, bei der Verwendung des 100-ns-Bereichs an der Buchse 5. Das Konvertersignal wird im ersten Fal] etwa zweimal, im zweiten Fall etwa viermal abgeschw~icht. Dadurch betr~igt die maximale Impulsh6he, die am Eingang der Symmetriestufe erseheint, sowohl im 50-ns-Bereich als auch im 100-ns-Bereich ungef~ihr 0.75 V. 3.3. STROMSTABILISATOR(Fig. 18) Der Stromstabilisator besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Differenzverst~irkern (V8 und Vg) und einem Ausgangskathodenfolger (Vlo und Vtt). Alle Stufen sind gleichstromgekoppelt. Zwischen den beiden EingSngen 8 und 9 liegt der Spannungsabfall IR, den der Anodenstrom I der Konverterr6hre V , tiber dem Pri/zisionswiderstand R erzeugt. Der Ausgang 10 ist mit dem Schirmgitter der R6hre V , verbunden. Aendert sich der Strom I um A1, so ~ndert sich die Ausgangsspannung des ersten Differenzverst~rkers (Vs) u m / t Ut = / h R A I , die Ausgangsspannung des zweiten Differenzversthrkets (V9) um A U 2 = - 1~21~tRAI und die Ausgangsspannung des ganzen Stabilisators um A U 3 = #sg2/~tRAI. Dabei sind tl t, V2 und /~s die Verst~rkungsfaktoren der einzelnen Stufen unter Berficksichtigung der zugeh6rigen Spalmungsteiler. Die Spannungs~nderung £ U s bewirkt im eingeschalteten Zustand der Konverterr6hre V 4 die Anodenstrom~/nderung A ' I = S ' z ] U 3 , wobei S* die Schirmgittersteilheit yon V , ist. Somit ergibt sich zwischen der Eingangsinformation AI und dem rfickgefiihrten Signal A ' l die Beziehung -

A'I =

-- S * I a 3 1 a 2 # t R A I

= -- A.AI.

A ist eine frequenzabhiingige komplexe Gr6sse, und die Stromstabilisierung ist ffir alle Frequenzen wirksam, bei denen der Realteil yon A gr6sser als 1 ist. In der vorliegenden Sehaltung ist die Stabilisierungsbedingung ffir alle Frequenzen von f = 0 bis f = )Co erffillt. Der Gleichstrom I hiingt also auch v o n d e r Auslegnng der Stabilisatorschaltung ab. Die obere Grenzfrequenz fo bestimmt die Zeit, in der nach dem Wiedereinschalten der Konverter-

r6hre der Ruhezustand wieder hergestellt ist. f0 wird so gew~ihlt, dass ein Kompromiss zwischen kurzer Regelzeit und optimaler Impulsform erreicht wird. Die Festlegung yon fo erfolgt in erster Linie durch das Uebertragungsglied, iiber das die Kathodenfolgerr6hre V t l gesteuert wird. Durch diese Steuerung Wird die Grenzfrequenz )Co von einem h6heren auf den gewiinschten Wert herabgesetzt. Im vorliegenden Fall betriigt)Co etwa 200 kHz. Dies entspricht einer Regelzeit von ungef~ihr 2 #s (Fig. 11). Die Feineinstellung des Stromstabilisators erfolgt mit dem Potentiometer Ps. 3.4. IMPULSR13CKSTELLER(Fig. 19) Der Impulsrficksteller hat die Aufgabe, der parallel zum Kondensator C liegenden R6hre V 6 im Zeitpunkt To, vom Beginn der Konversion an gerechnet, ein geeignetes Signal zuzuffihren, so dass die Ladung A O , d i e bei der Konversion auf den Kondensator C geflossen ist, dutch die R6hre V 6 in kurzer Zeit wieder abgefiihrt wird, und zwar unabh~ingig von Gr6sse und zeitlicher Folge des Konversionssignals. Dies wird erreicht, indem das Ausgangssignal des Diskriminators, welches die Konverterr6hre V , schaltet, in geeigneter Weise verforint, verz6gert und umgekehrt wird. Der Impulsriicksteller ist fiber die Leitung 6 an den Diskriminatorausgang angeschlossen. Der White-Kathodenfolger (V12 und V13) am Eingang arbeitet auch bei schnellen negativen Signalen einwandfrei, so' dass der Ausgangsimpuls des Diskriminators dutch den Impulsrficksteller nur unwesentlich beeinflusst wird. Die R6hre V1, besitzt niedriges, /-ait dem Potentiometer P6 einstellbares Schirmgitterpotential und wird durch den negativen Eingangsimpuls voUst~indig ausgeschaltet. An der Anode erscheint ein positiver Rechteckimpuls, der etwa 1 V hoch ist und ungefiihr die Liinge T' besitzt. Dieser Impuls wird fiber ein an den Buchsen 11 und 12 angeschlossenes Kabel mit der Laufzeit To der R6hre Vls zugeffihrt und dort verstiirkt. Die Mindestl~inge von To wird durch die Forderungen des Impulsverl~ingerers bestimmt. In der vorliegenden Schaltung ist T o = T~a x + 40ns = 140ns. Das Kabel mit der Laufzeit T o wird von zwei zu-

EIN S C H N E L L E R Z E I T - I M P U L S H O H E N K O N V E R T E R

203

sammengekuppelten Teilstficken mit 130 ns und 10 ns Laufzeit dargestellt. Bei interner Ausl6sung des Impulsverlhngerers wird die Normalkupplung durch ein T-Stfick ersetzt und das abgezweigte Signal dem Eingang 18 des Impulsverliingerers zugeffihrt. Die durch die Verzweigung hervorgerufene Abschw~ichung der Impulsh6he wird kompensiert, indem man das Schirmgitterpotential der R6hre V 1, dutch Verstellen des Potentiometers P6 erh6ht. Fig. 14. Breitbandverstgrker, Ausgangsimpuls, Impulsanfang. Der Anodenimpuls der Verst~irkerr6hre V15 ist 3.5. SYMMETRIESTUFE (Fig. 20) negativ und schaltet w~ihrend der Impulsdauer T' In der Symmetriestufe werden die positiven Ausden Anodenstrom der R6hre V~6 aus. Die Anode gangsimpulse des Konverters ladungssymmetrisch von V~6 ist fiber die Leitung 7 direkt mit dem gemacht, indem ein negativer Impuls gleicher Steuergitter der Konverterr6hre V6 verbunden, die Fl~iche angeffigt wird. Der Konverterimpuls geim Ruhezustand durch den Spannungsabfall fiber langt fiber die Buchse 13 an den Eingang der Symdem Anodenwirderstand yon V16 gesperrt wird. metriestufe und wird dort fiber den Kathodenfolger W~ihrend der Dauer T' des Rfickstellimpulses ist V17 zum Ausgang 16 weitergeleitet. Eine Abzweidie R6hre V 6 eingeschaltet und leitet mit ihrem gung ffihrt yon der Buchse 13 fiber einen 1-kf2Anodenstrom die fiberschfissige Ladung AQ von C Widerstand zur Buchse 14 und yon dort fiber ein ab. Werden die Schirmgitterpotentiale yon V 14 und Verz6gerungskabel (RG 65 A/U) mit 300 ns SignalV 6 richtig eingestellt, arbeitet die Impulsrfick- laufzeit zur Buchse 15. Der positive Impuls wird stellung unabh~ingig yon der H6he und Frequenz durch die R6hre V19 verst/irkt. Der negative Anoder Konverterimpulse. Die Figuren 12 und 13 zeigen denimpuls yon V19 wird fiber den Kathodenfolger zwei mit 350 ns Abstand aufeinandefiolgende Kon- Vls additiv mit dem Ausgangssignal yon V17 gevertersignale ohne Impulsrfickstellung und mit mischt (Fig. 7). DieVerst~irkung v o n V 1 9 l~isst sich Impulsrfickstellung. mit Hilfe des variablen Anodenwiderstandes P8 in bestimmten Grenzen andern und so einstellen, dass der Ausgangsimpuls der Symmetriestufe die Gesamtladung 0 besitzt. Die maximale Impulsh6he betr~igt im 50-ns- und 100-ns-Bereich etwa 0.5 V. 3.6. BREITBANDVERST~_RKER (Fig. 21)

Fig. 12. Konverter, Doppelimpuls am Ausgang ohrte Impulsrfickstellung.

Fig. 13. Konverter, Doppelimpuls am Ausgang.

Der Breitbandverst~irker besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Wechselstromverstarkern mit Kathodenfolgerausgang. Die Gegenkopplung des ersten Verst~irkers (V2o, V21 und V22) ist frequenzabh~ingig. Die Verst~irkung ist bei hohen Frequenzen kleiner als bei niedligen Frequenzen. Dadurch wird der Dachabfall des Konverterimpulses kompensiert. Die Ausgangsimptflse der Symmetriestufe, die am Eingang 16 des Breitbandverstarkers erscheinen, werden etwa zwanzigfach verst~irkt, so dass die maximale Ausgangsimpulsh6he im 50-ns- und 100-ns-Bereich ungefahr 10V betr~gt. Der Ausgang 17 ist mit dem Signaleingang des Impulsverl~ingerers verbunden. Fig. 14 zeigt den Anfang des Ausgangsimpulses.

204

H. J U N G

Ersetzt man die frequenzabh~ingige Gegenkopplung zwischen den R6hren V20 und V22 durch eine Serieschaltung von R -- 820~ und C = 22 nF, ist die mittlere Gesamtverst~irkung etwa 22. Sie ist zwischen 5 kHz und 14 MHz konstant. Der 3-dbAbfall liegt bei etwa 3 kHz bzw. 26 MHz. Die maximale Abweichung yon tier Linearit~it ist fiir positive Impulse bis 10 V Ausgangsimpttlsh6he kleiner als

V27 entsteht dadurch ein negativer Impuls mit der L~inge T,. Die H6he wird dutch die Diode D l begrenzt, die Anstiegszeit ist kleiner a_ls2 ns (Fig. 15).

0.5%. 3.7. IMPULSVERL.~NGERER(Fig. 22 und Fig. 23) Der Impulsverliingerer besteht aus dem Signalteil (Fig. 22) und dem Steuerteil (Fig. 23). Der Ausgangsimpuls des Breitbandverst~irkers wird fiber die Leitung 17 dem Kathodenfolger V2o des Signalteils zugeffihrt und gelangt von dort fiber den Seriewiderstand Rs an das Steuergitter der R6hre V27, die zusammen mit dei R6hre V32 einen zweiten Kathodenfolger bildet. Das Steuergitter der R6hre V2~ ist noch mit der Anode der R6hre V 31 sowie der Kathode der geerdeten Diode D 1 verbunden, die Kathode mit dem Ausgangskathodenfolger V2s. Zwischen Kathode und Erde liegt der Ladekondensator CL. Im Ruhezustand leiten die R6hren V26, V27, V2s und V32, wiihrend die R6hre Vat und die Diode D t gesperrt sind. Die Spannung fiber D t l ~ s t sich mit dem Potentiometer P9 einstellen. Erscheint ein Konversionsimpuls am Eingang 17, so folgt die Spannung fiber dem Ladekondensator CL zuniichst dem Spannungsverlauf des Eingangssignals. Die Anstiegszeit der Schaltung wird dabei im wesentlichen durch den Seriewiderstand R,, die Streukapazitiiten am Eingang yon V2~, die Steilheit von V27 und die Gi6sse der Kapazitiit CL bestimmt und betr~igt etwa 50 ns. Damit sieh der Kondensator CL auf die voile H6he des positiven Eingangsimpul~es aufliidt, muss alas Imp~sdach hinreichend iang *.,ein. Diese Bedingung wird durch richtige Wahl der Zeit T O zwischen Konversiousbeginn und Beginn tier Impulsrfickstellung erffillt. Ehe nun der positive Impuls am Eingang 17 wieder abf~llt, erscheint am Eingang 19 vom Steuerteil her ein posifiver Rechteckimpuls mit etwa 4 V H6he und der L~nge T,. Ueber den Kathodenfolger Vao gelangt tier Impuls an das Steuergitter der gesperrten R6hre Vat und schaltet den Anodenstrom I . ein, der yon der R6hre V26 geliefert wixd. Am Steuergitter yon

Fig. 15. Impulsverlitngerer,Steuergitterder R6hreV22. Der Strom I~ betriigt etwa 50 mA und wird mit dem Potentiometer Pto eingestellt. Zur selben Zeit, da der negative Impuls am Steuergitter von V27 erscheint, wird der Kathodenstrom der R6hre abgestellt. Dazu wird der Steuerimpuls vom Eingang 19 aus fiber den Kathodenfolger V29 zum Steuergitter der gesperrten R6hre V33 geffihrt. Die R6hre wird ge6ffnet, und der negative Anodenimpuls, dessen H6he mit dem Potentiometer P t 3 eingestellt wird, schaltet die R6hre V32 und damit den Kathodenstrom yon V27 aus. Der Kondensator CL ist nun praktisch isoliert und behiilt wiihrend der Zeit T, seine Ladung, abgesehen von einem kleinen Verlust, der vor allem durch den Sperrstrom yon V32 gegeben ist. Am Ausgang 20 erscheint somit ein Rechteckimpuls mit der Liinge T, und der H6he V = a . A V - V o . Dabei ist a . A V die H6he des verstiirkten Konverterimpulses und Vo eine Spannung, die vom Zusammenwirken der Strom- und Spannungssteuerung an Kathode und Steuergitter der R6hre V27 abh~ngt. Vo liisst sich mit den Potentiometern Pro, P l l und Pt2 optimal einsteUen und betriigt etwa 0.8 V. Der DachabfaU des Ausgangsimpulses ist kleiner als 1 mV/ps. Die Impulsverliingerung erfolgt fOx V < 10 V praktisch linear. Die Erholungszeit ist kleiner als T,. Die bei hohen Stosszahlen auftretenden Gleichstromverschiebungen an den kapazitiv gekoppelten Steuergittern von Vat , V32 und V33 werden durch die Dioden D2, D 3 und D , in engen Grenzen gehalten. Der Steuerteil (Fig. 23) besteht aus einem WhiteKathodenfolger (V,, und V35) am Triggereingang 18, einer Treiberstufe (V36), einem monostabilen

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SCHNELLER

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Fig. 16. Koinzidenzstufe.

Multivibrator (V37, V3s und V39) mit dem Ausgang 19 ftir den Steuerimpuls sowie dem Kathodenfolger V4o mit dem Ausgang 21 (Ausgang Z im Blockschema, Fig. 1). Das Triggersignal musspositiv und

mindestens 0.5 V gross sein. Bei interner Ausl6stmg wird die Buchse 18 tiber ein 5-ns-Kabel mit dem Laufzeitkabel des ImpulsrticksteUers verbunden. Der Steuerimpuls am Ausgang 19 ist positiv. Seine ~2oov

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Fig. 18. Stromstabilisator.

L~inge T s l~isst sich mit dem Potentiometer P14 zwischen 0.5 und 5 #s ver~indern, die Impulsh6he wird mit dem Potentiometer P~ 5 auf etwa 4 V eingestellt. Die Anstiegzeit der vorderen Flanke be-

tr~igt etwa 7 ns. Der Kathodenfolger V,o ist fiber ein Differenzierglied mit dem Ausgang 19 verbunden. Am Ausgang 21 erscheint daher bei j eder Aus16sung des Impulsverliingerers ein Doppelimpuls,

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Fig. 19. Impulsriicksteller.

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Fig. 20. Symmetriestufe,

64 V einzustellen. Die Eingangsbuchse 22 wird mit dem Ausgang 20 des Impulsverl~ingerers verbunden. Der Eingangsimpuls kann im Abschw~icher A 1 in 4 Stufen yon seiner vollen H6he auf die H~ilfte abgeschw~icht werden. Durch das Netzwerk des Abschw~ichers wird gleichzeitig der Impulsanfang geformt. Mit Hilfe von Trimmerkondensatoren kann die Impulsform optimal eingestellt werden. Ueber

bestehend aus einem positiven und einem negativen Triggersignal yon etwa 3 V H6he. 3.8. E N D V E R S T A R K E R (Fig. 24)

Der Endverst~irker ist den speziellen Bedingungen des verwendeten Impulsh6henanalysators angepasst und erlaubt, die maximale H6he der Ausgangsimpulse auf einen Wert zwischen 24V und

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Fig. 21. Breitbandverst~irker.

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Fig. 22. Impulsverliingerer/Signalteil.

den Kathodenfolger V40 ist ein zweistufiger Verstarker mit Kathodenfolgerausgang angeschlossen (V42, V,3 und V**). Die mittlere Verstiirkung betr~tgt etwa 7 und ist zwischen 200 Hz und 400 kHz praktisch konstant. Der 3-db-Abfall liegt bei 50 Hz bzw. 1.5 MHz. F fir positive Ausgangsimpulse his zu

65 V ist die maximale Abweichung vonder Linearit~t kleiner als 0.5%. Das Ausgangssignal (Fig. 9) kann im sechsstufigen Abschw~cher A 2 auf einen Wert zwischen 100% und 75% seiner vollen H6he abgeschw~cht werden und gelangt schliesslich fiber den Kathodenfolger V,s zum Analysatorausgang 23. • 120 V

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Fig, 23. Impulsverl~ngerer/Steuertei].

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SCHNELLER

ZEIT-IMPULSHOHENKONVERTER

3.9. AUFBAUUND SPEISUNG Alle Stufen des Zeit-Impulsh6henkonverterssind mit Ausnahme des Endverstiirkers in zwei vertikal montierten, U-f6rmigen 19~-Chassis mit je 265 mm H6he untergebracht. Das erste Chassis enth~ilt Koinzidenzstufe, Diskriminator, Konverter, Stromstabilisator urtd Impulsrticksteller, das zweite Chassis Symmetriestufe, Breitbandverstiirker und Impulsverl~ingerer. Der Chassisboden besteht je-

209

Der Endverstiirker befindet sich in einem 175 mm hohen, U-f6rmigen 19"-Chassis aus kadmiertem Eisen. Die beiden Abschw~icher sind durch eine Biichse aus dfilmem Messingblech abgeschirmt. Die Gleichstromversorgung erfolgt durch stabilisierte Netzger~te, die folgende Daten aufweisen: Stabilisierungsfaktor > 1000. Restwelligkeit < 1 mVptp. Ausgangskapazit~it >_ 50/IF (Elektrolyt).

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Fig. 24. E n d v e r s t ~ r k e r .

weils aus einem 2 mm dicken, gMvanisch versilberten Kupferblech mit einem sehr dfilmen Goldfiberzug als Korrosionsschutz. Auf der Aussenseite der beiden Bodenbleche sind alle R6hren, MP-Kondensatoren und HF-Stecker angeordnet, wiihrend auf der Innenseite alle fibrigen Elemente und die gesamte Verdrahtung angebracht sin& Die Erdverbindungen werden fiberall auf dem kiirzesten Wege tiber ldeine Montagewinkel in das Bodenblech geffihrt. Die Winkel aus 1 mm starkem Kupferblech wurden vor dem Galvanisieren art den vorgesehenen Erdungspunkten aufgenietet und hartverl6tet. Auf diese Weise werden optimale Erdungsbedingungen erreicht, eine wichtige Voraussetzung ffir die Erzeugung sauberer Signalformen bei schneUen Impulsen. Der Steuerteil des Imp~sverliingerers ist mit einer etwa 10 cm hohen Abschirmung aus versilbertem Kupferblech umgeben.

Alle Gleichstromleitungen sind am Eingang der drei Verbraucherchassis dutch MP-Kondensatoren ( 2 . . . 4 #F) abgeblockt. Von dort aus werden alle hochfrequenzempfindlichen Verbraucher fiber getrennte Leitungen versorgt. Die Heizspannungen sind auf etwa + 0.05% stabilisiert. Die R6hren des Endverst~irkers sind gleichstromgeheizt, damit der Brumm des Ausgangssignals verkleinert wird. Alle fibrigen R6hren haben Wechselstromheizung, wobei die Heizleitungen fiber HF-Drosseln an die zugeh6rigen Sockelstifte geffihrt werden. Fig. 25 zeigt die Vorderansicht des Ger~ites, Fig. 26 die Rfickseite. Durch Oeffnen der hinteren Tfire wird die gesamte Verdrahturtg bequem zugiinglich. Ebenso leicht gelangt man durch Oeffnen der Seitentiiren zu den R6hren und den Impulskabeln, die in der Mitte des Schrankes aufgeh~ngt sind.

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der Koinzidenzstzzfe war eine interne Lautzeitdifferenz at0 ~ 3 us wo,gegeben. 4. Test~essungen wu~deu mit Die hier beschriebeuen Messungeu rein elektrischex~ Impulsen durchgeiiih~t. Da~ Ansgaugssign~ ii

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Die Lauizeitdiffe~enz a~ der beiden ~usse*en 7~uleitungen wurde schrittweise dutch geeignetes Zwischcnschalteu vo~ Kabdn bestimmter L~inge

EI'N" S C H N ' E L L E R

ZEIT-IMPULSH()HE'N'KONVERTER

ge~indert. Als Impulsquelle diente ein Quecksilberrelais. Die Daten der Eingangsimpulse waren: H6he 5 V, negativ, L~nge 120 ns, Anstiegszeit 3 ns. Die Ausgangsimpulse des Zeit-Impulsh6henkonverters wurden mit einem Einkanal-Impulsh6henanalysator untersucht. Fig. 27 zeigt den Zusam-

60 o

20 ns - Bereich

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der Konversionszahl wurde im 50-ns- und 100-nsBereich ffir A t = 0 gemessen, d.h. fiir maximale H6he der Ausgangsimpulse. Als Impulsgeber wurde ein elektronischer Rechteckgenerator verwendet. Die Daten der Eingangsimpulse waren: H6he 3 V, negativ, L~nge 150 ns, Anstiegszeit 5 ns. Die Ausgangsimpulse wurden mit dem Potentiometer P6 auf etwa 0.5 gs Breite eingestellt, ihre H6he wurde mit einem Kathodenstrahloszillographen untersucht. Es wurde eine Abnahme der Impulsh6he bei grossen Konversionszahlen beobachtet. Sie betrug bei f = 1 MHz (periodisch) etwa 1%. 4.3. Z E I T A U F L O S U N G

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F i g . 27. Z e i t - I m p u l s h 6 h e n k o n v e r s i o n . a. 2 0 - n s - B e r e i c h b. 5 0 - n s - B e r e i c h

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menhang zwischen der Zeitdifferenz At am Eingang und der Impulsh6he V am Ausgang des Zeit-Impulsh6henkonverters fiir die drei Messbereiche bl = 20ns, b 2 = 50ns und b 3 = 100ns. Die zu einem Messbereich geh6renden Punkte liegen praktisch auf einer Geraden V~ = Vol -

ci" A t ,

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( F i g . 28)

Die Zeitaufl6sung wurde im 50-ns-Bereich fiir verschiedene Zeitdifferenzen A t gemessen. Als I m pulsquelle wurde ein sorgfiiltig ausgesuchter Quecksilberimpulsgeber (f = 50 Hz) verwendet. Die Daten der Eingangsimpulse waren: H6he 5 V, negativ, L~inge > 100 ns, Anstiegszeit der vorderen Flanke etwa 2 ns. Zwischen den Ausgang des Zeit-Impulsh6henkonverters und den Eingang eines 200-KanalImpulsh6henanalysators wurde ein stabiler Differenzverst~irker geschaltet, der den oberen Teil der Ausgangsimpulse etwa 340fach verst~rkte. Auf diese Weise ergab sich die Konversionskonstante x' = 0.37 ps/Kanal. Die vomAnalysator registrierten Impulsh6henschwankungen sind in Fig. 28 dargestellt. Die Gr6sse der Schwankungen ist sta-

1,2,3.

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= l l l = L , I

Die Abweichungen der Punkte v o n d e r zugeh6rigen Geraden liegen innerhalb der Fehlergrenzen der Zeit- und Spannungsmessungen. Die Neigung c~h~ingt yore Messbereich bi u n d noch allgemein yon verschiedenen Einstellungen im Ger~it ab. Der Konversionsfaktor x~ = c~ 1 hat die Dimension ns/V. Wird der Einkanalanalysator am Ausgang durch einen Vielkanalanalysator ersetzt, erh~lt man mit dem beschriebenen Testverfahren den direkten Zusammenhang zwischen der Zeitdifferenz A t und der zugeh6rigen Kanalnummer. Ist der Analysator hinreichend linear, ergibt sich sofort der Konversionsfaktor u I mit der Dimension ns/Kanal.

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tistisch verteilt. Die Halbwertsbreite der Verteilungskurve wird als Zeitaufl6sung definiert. Sie ist praktisch unabhiingig v o n d e r Wahl der Zeit-differenz At am Eingang. In die Gr6sse der Schwankungen gehen nicht nur alle Instabilit~itendes ZeitImpulsh6henkonverters ein, sondern auch alle Instabilit~iten der Impulsquelle und des Differenzverst~irkers. Die Zeitaufl6sung des Konverters ist deshalb kleiner als die Halbwertsbreite der dargestellten Kurve, also kleiner als 4.8 ps. Schlusswort Der Zeit-Impulsh6henkonverter wurde 1960/61 im Laboratorium fiir Hochenergiephysik der E.T.H. entwickelt und gebaut. Ich danke Herrn Prof. Dr. J. P. Blaser fiir die grossziigige F6rderung der Arbeit. Herrn Prof. Dr. P. Marmier danke ich fiir alle

Unterstiitzung beim Bau des Ger~ites und bei seinem praktischen Einsatz im Rahmen der Flugzeitexperimente, die zur Zeit im Laboratorium fiir Kernphysik der E.T.H. durchgefiihrt werden. Ich danke Herrn Prof. Dr. P. Scherrer ffir das grosse Interesse und die anregenden Diskussionen, mit denen er die Arbeit gef6rdert hat. Herrn Dr. W. Beusch danke ich fiir die Einfiihrung in die elektronischen Probleme der Flugzeitmessung und seine tatkr~iftige Mithilfe bei der Entwicklung des Ger/ites. Ich danke allen Mitgliedern der Zyklotronplanungsgruppe, insbesondere Herrn P. Lanz, f/Jr die angenehme Zusammenarbeit und ihre stete Hilfsbereitschaft. Schliesslich m6chte ich meinen Mitarbeitern, Herrn J. P. Villoz und Herrn P. Kaufmann, flit die vorziigliche Ausfiihrung des mechanischen Aufbaus und der Verdrahtung herzlich danken.