Мёртвое время детектора: причины и характеристики.

Введение

Время после события, когда детектор не может зарегистрировать следующее событие.

Для систем обнаружения, регистрирующих дискретные события, таких как детекторы частиц и ядер, мёртвое время – это промежуток времени после каждого зарегистрированного события, в течение которого система не способна зарегистрировать новое событие. Примером из повседневной жизни может служить фотографирование со вспышкой: сразу после снимка сделать другой невозможно, так как вспышке требуется несколько секунд для перезарядки. Помимо снижения эффективности регистрации, мёртвое время может приводить и к другим последствиям, например, создавать потенциальные уязвимости в квантовой криптографии.

Обзор

Общее время бездействия системы обнаружения обычно обусловлено вкладом внутреннего времени бездействия детектора (например, времени дрейфа ионов в газовом ионизационном детекторе), аналогового фронтального каскада (например, времени формирования спектроскопического усилителя) и сбора данных (время преобразования аналого-цифровыми преобразователями и времени считывания и хранения). Внутреннее время мёртвой работы детектора часто связано с его физическими характеристиками; например, камеру искр можно считать "мёртвой", пока потенциал между пластинами не восстановится до достаточно высокого значения. В других случаях детектор, после первого события, всё ещё "жив" и выдаёт сигнал для последующего события, но сигнал такой, что считывающая электроника не может различить и разделить их, что приводит к потере события или к так называемому событию "наложения", когда, например, вместо этого регистрируется (возможно, частичная) сумма энергии, переданной двумя событиями. В некоторых случаях это можно минимизировать с помощью соответствующей конструкции, но часто только за счёт других характеристик, таких как энергетическое разрешение. Аналоговая электроника также может вносить вклад в время бездействия; в частности, формовочный спектроскопический усилитель должен интегрировать сигнал с быстрым нарастанием и медленным спадом в течение максимально возможного времени (обычно от 0,5 до 10 микросекунд) для достижения наилучшего возможного разрешения, поэтому пользователю необходимо выбирать компромисс между скоростью обработки событий и разрешением. Логика триггера – ещё один возможный источник времени бездействия; помимо времени, необходимого для обработки сигнала, следует учитывать ложные триггеры, вызванные шумом. Наконец, оцифровка, считывание и хранение события, особенно в системах обнаружения с большим количеством каналов, таких как те, что используются в современных экспериментах по физике высоких энергий, также вносят вклад в общее время бездействия. Для решения этой проблемы в средних и крупных экспериментах используются сложные конвейерные схемы и многоуровневая логика триггера для снижения скорости считывания. Чтобы получить эффективное время работы системы обнаружения, из общего времени её работы необходимо вычесть время бездействия.

The total dead time of a detection system is usually due to the contributions of the intrinsic dead time of the detector (for example the ion drift time in a gaseous ionization detector), of the analog front end (for example the shaping time of a spectroscopy amplifier) and of the data acquisition (the conversion time of the analog to digital converters and the readout and storage times). The intrinsic dead time of a detector is often due to its physical characteristics; for example a spark chamber is "dead" until the potential between the plates recovers above a high enough value. In other cases the detector, after a first event, is still "live" and does produce a signal for the successive event, but the signal is such that the detector readout is unable to discriminate and separate them, resulting in an event loss or in a so called "pile up" event where, for example, a (possibly partial) sum of the deposited energies from the two events is recorded instead. In some cases this can be minimised by an appropriate design, but often only at the expense of other properties like energy resolution. The analog electronics can also introduce dead time; in particular a shaping spectroscopy amplifier needs to integrate a fast rise, slow fall signal over the longest possible time (usually from .5 up to 10 microseconds) to attain the best possible resolution, such that the user needs to choose a compromise between event rate and resolution. Trigger logic is another possible source of dead time; beyond the proper time of the signal processing, spurious triggers caused by noise need to be taken into account. Finally, digitisation, readout and storage of the event, especially in detection systems with large number of channels like those used in modern High Energy Physics experiments, also contribute to the total dead time. To alleviate the issue, medium and large experiments use sophisticated pipelining and multi level trigger logic to reduce the readout rates. From the total time a detection system is running, the dead time must be subtracted to obtain the live time.

Парализующее и непарализующее поведение

Детектор или система обнаружения может характеризоваться парализующим или непарализующим поведением. Если время задержки неизвестно, статистический анализ может дать верное значение числа зарегистрированных событий. Например, (Meeks 2008), если – это набор интервалов между измерениями, то распределение этих интервалов будет иметь сдвинутый экспоненциальный вид, но если из каждого интервала вычесть фиксированное значение D, отбрасывая отрицательные значения, распределение станет экспоненциальным, при условии, что D больше времени задержки. Для экспоненциального распределения выполняется следующее соотношение:

где n – любое целое число. Если оценить эту функцию для множества измеренных интервалов с различными значениями D (и для различных значений n), то обнаружится, что при значениях D, превышающих определенный порог, указанное уравнение будет практически верным, а скорость счета, полученная на основе этих модифицированных интервалов, будет равна истинной скорости счета.

Время-счет

С современным микропроцессорным ратометром одним из методов измерения напряженности поля с помощью детекторов (например, счетчиков Гейгера-Мюллера) с временем восстановления является метод "Время до счета". При этом методе детектор активируется одновременно с началом отсчета времени. При регистрации события счетчик останавливается. Если события происходят многократно в течение определенного периода времени (например, двух секунд), то можно определить среднее время между событиями и, следовательно, скорость счета. Таким образом, измеряются, а не оцениваются, время работы, время задержки и общее время. Этот метод широко применяется в системах радиационного мониторинга, используемых на атомных электростанциях.