ГЛАВА ПЕРВАЯ. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ И НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ СО СПЛОШНЫМ СПЕКТРОМ В ОБЛАСТИ НИЗКИХ ЧАСТОТ

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРВИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ СЛУЧАЙНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

В любом генераторе шумов имеется первичный источник случайного сигнала, который путем преобразования с помощью линейных или нелинейных цепей превращают в сигнал с требуемыми статистическими характеристиками. В литературе описано большое количество первичных источников шума. Достаточно полная систематизация этого материала, а также большое количество практических схем и рекомендации по выбору основных параметров схем содержатся в Поэтому здесь эти вопросы опущены. В то же время необходимо хотя бы качественно проанализировать различные источники шума, что облегчит выбор требуемого источника для создания того или иного типа генератора случайных сигналов. Несколько подробнее рассмотрены источники, использующие явления радиоактивного распада, так как они являются весьма перспективными и в то же время не упомянуты в

В качестве первичных источников случайных сигналов могут использоваться самые различные устройства: все типы активных резисторов, полупроводниковые приборы (диоды и триоды), электронные лампы, все типы газоразрядных приборов, фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы. В качестве первичного источника шумов может быть использовано любое устройство, имеющее большой коэффициент усиления: усилитель

промежуточной частоты, широкополосный усилитель и т. п. В каждом конкретном случае конструирования генератора случайных сигналов должен быть выбран конкретный тип устройства, предназначенного для работы в задающем генераторе прибора, с учетом целого ряда факторов. Основным из них является простота дальнейших преобразований случайного сигнала, в результате которых на выходе прибора получается случайный сигнал с требуемыми характеристиками.

Важно также требование стабильности генерируемых сигналов во времени, взаимозаменяемость приборов и срок их службы, а также такие характеристики первичных источников непрерывных случайных сигналов как мощность и ширина спектра генерируемого сигнала.

В зависимости от физической природы флуктуаций в различных приборах их спектральные плотности отличаются весьма сильно. Так, например, для проволочного резистора спектральная плотность при комнатной температуре составляет а для тиратронов ее максимальное значение . В связи с этим проволочные резисторы применяют только в эталонных источниках шума, используемых для точных измерений, при калибровке приборов и в радиоастрономии; тиратроны применяют в большинстве генераторов низкочастотных случайных сигналов.

Для задающих генераторов, в которых используются источники ядерного изучения, важнейшим являются характеристики как самих источников излучения, так и их детекторов. В качестве характеристик последних должны рассматриваться максимальная частота генерируемых случайных импульсов и их амплитуда. Различным типам детекторов присуще различное время возбуждения процесса ионизации или свечения, а также время рекомбинации или перехода из возбужденного в спокойное состояние. Необходимо также учитывать требования, которые предъявляет детектор к величине и стабильности питающего напряжения.

Кратко остановимся на наиболее распространенных типах первичных источников.

Газоразрядные источники шумов.

Наиболее широко в качестве первичных источников шума в самых различных диапазонах частот используются газоразрядные приборы. Для получения низкочастотных шумов

(от нескольких сот герц до нескольких мегагерц) используются тиратроны с горячим или холодным катодами, стабилитроны и неоновые лампы. Для генерации шумов в диапазоне СВЧ используются специально разработанные для этих целей газоразрядные трубки.

Тиратрон как источник шумового напряжения изучен далеко недостаточно. К настоящему времени наиболее распространенная гипотеза работы тиратрона в качестве шумящего элемента следующая.

Под воздействием электронов, ускоренных приложенной между анодом и катодом разностью потенциалов, образуется плазма. Хотя между числом ионов и электронов в плазме существует динамическое равновесие, ток тиратрона обусловлен в основном электронами, попадающими на анод, так как их скорость во много раз больше скорости ионов. У электронного облака, окружающего катод и предохраняющего его от интенсивной бомбардировки ионами, концентрируются положительные ионы. Под воздействием ускоряющего поля они проникают в электронное облако, вызывают вспышки электронной эмиссии и тем самым импульсы анодного тока. Число электронов, вызванных проникновением одного иона в область пространственного заряда, велико. Этим и объясняется более высокий уровень шумов тиратронов (как и других газоразрядных приборов) по сравнению с электронными лампами. Длительности импульсов и их амплитуды являются случайными величинами. Случайность амплитуды обусловлена прежде всего разбросом скоростей ионов, проникающих в область пространственного заряда, а длительность случайна в силу случайности скорости электронов, направляющихся на анод. При уменьшении плотности газа в баллоне прибора увеличивается ширина спектра флуктуации, так как за счет уменьшения числа соударений электрона с нейтральными молекулами газа уменьшается длительность импульсов анодного тока и одновременно падает интенсивность шумов из-за уменьшения плотности ионов на границе плазмы и электронного облака.

Решающее влияние на форму кривой спектральной плотности генерируемых шумов оказывает величина анодного тока и напряженность магнитного поля. При отсутствии магнитного поля в результате генерации ионов электроны модулируются по скорости и в

спектральной плотности генерируемого сигнала проявляется ярко выраженная периодическая составляющая. Расположение периодической составляющей на шкале частот для данного типа тиратрона зависит от величины анодного тока: чем больше ток тиратрона, тем ниже частота колебаний. Экспериментально установлено, что частота периодической составляющей изменяется в пределах 400—1 500 гц.

Рис. 1. Спектральные плотности шумов тиратрона.

Если тиратрон поместить в магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны вектору скорости электронов, то траектории последних закручиваются вокруг магнитных силовых линий, благодаря чему путь электронов к аноду удлиняется. Это приводит к увеличению числа соударений и плотности ионов. При этом граница плазмы приближается к катоду, что увеличивает число импульсов анодного тока. Но так как увеличивается одновременно и средняя длительность импульсов, то они сливаются, вследствие чего спектральная плотность на сравнительно низких частотах падает, что ведет к выравниванию спектральной плотности. Увеличение тока тиратрона (при заданной напряженности магнитного поля) приводит к трансформации спектра генерируемых флуктуаций в область более низких частот. Характер зависимости спектральной плотности флуктуации тока тиратрона приведен на рис. 1 (а - при различной величине анодного тока тиратрона, б - индукции магнитного поля),

Отечественной промышленностью выпускаются шумовые тиратроны . К каждым пяти тиратронам придается один кольцевой магнит. Ширина спектра флуктуаций, которые можно получить с помощью тиратрона этого типа, лежит в пределах от 100 гц до Существенным недостатком тиратронов является большой разброс их параметров. Поэтому при смене тиратрона требуется регулировка схемы.

В случае использования постоянных магнитов единственная возможность такой регулировки состоит в изменении питающего напряжения. Поэтому на практике целесообразно использовать не постоянные, а электромагниты и регулировку осуществлять путем изменения напряженности магнитного поля (тока, протекающего через обмотку электромагнита). Для уменьшения потока рассеивания обмотку целесообразно заключить в ферромагнитный кожух, а центральную трубку делать из немагнитного материала. Для нормальной работы генератора обмотка должна иметь около 10 000 витков, а ток, протекающий через нее,

Наряду с тиратронами в качестве первичных источников шумов иногда используются газоразрядные приборы с самостоятельным разрядом — стабилитроны и неоновые лампы. Напряжение шумов, которое можно получить от таких приборов, достигает единиц милливольт на нагрузке в несколько килоом при полосе до нескольких мегагерц. Недостатком этих приборов является неравномерность спектра шумов. Для получения максимальной интенсивности шумов в приборах с самостоятельным разрядом целесообразно выбирать питающее напряжение, соответствующее самому началу режима нормального тлеющего разряда (минимального тока через прибор).

Шумовые диоды.

В качестве первичных источников шума в весьма широком диапазоне частот (от нескольких сот герц до нескольких сот мегагерц) используются диоды прямого накала с вольфрамовым или ториевовольфрамовым катодами, работающие в режиме насыщения тока анода.

Мощность шума насыщенного диода на нагрузке определяется формулой

где заряд электрона;

постоянная составляющая анодного тока;

сопротивление нагрузки;

полоса шумов.

Многочисленные эксперименты показали, что формула (1) дает очень хорошее приближение к практике, поэтому генераторы на диодах используются даже при весьма точных измерениях, например в радиометрии. При этом контроль за мощностью генерируемых шумов может осуществляться косвенно — по среднему значению анодного тока. Анодный ток насыщенного диода мало зависит от анодного напряжения, поэтому нет необходимости стабилизировать источники питания анода. В то же время анодный ток сильно зависит от напряжения накала. Поэтому необходимо использовать высокостабильные источники накального напряжения. Часто зависимость анодного тока от напряжения питания накала используют для стабилизации мощности генерируемых шумов. Практическая схема такого устройства будет рассмотрена в гл. 3 (стр. 85).

В диодах и электронных лампах на частотах до гц наблюдаются флуктуации, вызванные так называемым «эффектом мерцания» катода (фликкер-эффек-том). При этом интенсивность данного типа флуктуаций растет обратно пропорционально частоте в диапазоне от до 10 гц. Поэтому нельзя непосредственно использовать эти шумы для генерирования флуктуационных напряжений в диапазоне инфранизких и звуковых частот. Для получения равномерного спектра необходимо осуществить перенос спектра исходных шумов в указанные диапазоны из области более высоких частот.

Со стороны высоких частот ограничение спектра шумов диода наступает в связи с конечностью времени пролета электрона и составляет 100-500 Мгц, а для некоторых типов специальных диодов — диапазоном сантиметровых волн.

Шумовые диоды используются, как правило, в измерительных широкополосных генераторах шумов.

Источники ядерного излучения.

Ядерное излучение находит широкое применение во многих областях науки и техники. Перспективным является использование радиоактивного излучения и для генерирования случайных электрических сигналов. Это обусловлено тем, что для

радиоактивного распада характерны случайность каждого акта распада, стабильность во времени среднего числа распадов в единицу времени, постоянство энергий излучаемых квантов энергии или заряда частиц и их независимость от внешних условий.

Рис. 2. Блок-схема генератора случайных сигналов с использованием радиоактивного источника излучения. 1 — источник радиоактивного излучения; 2 — детектор излучения; 3 — электронно-преобразовательная схема; 4-выходное устройство; 5, 6 - схемы стабилизации.

В приводится описание макета генератора, в котором использовано явление радиоактивного распада. Блок-схема генератора представлена на рис. 2. В качестве источников излучения в генераторах такого типа используются различные изотопы.

Важное значение при конструировании генераторов имеет выбор типа детектора излучения, определяющего статистические характеристики выходных сигналов. В зависимости от требований, предъявляемых к генератору, используются различные типы детекторов и режимы их работы. Детекторы ядерного излучения различаются по используемым в них явлениям. Преимущественно используются явления ионизации газовой среды (ионизационные камеры и газоразрядные счетчики), ионизации твердых тел (кристаллические детекторы), возбуждения света при облучении некоторых веществ (сцинтилляци-онные детекторы).

В газовых счетчиках используется явление ионизации, возникающее под воздействием радиоактивного излучения. Различают два режима работы таких устройств: импульсный и токовый. Импульсный применяется для счета отдельных частиц, а токовый — для измерения средней интенсивности излучения. В генераторах случайных сигналов используются только газоразрядные трубки, работающие в импульсном режиме. Схема включения

ее в усилитель приведена на рис. 3. Характер процесса в трубке зависит от величины приложенного к счетчику напряжения

Рис. 3. Схема включения газоразрядной трубки в схему усилителя.

На рис. 4 приведена типовая вольт-амперная характеристика газоразрядной трубки. В области 1 используется только ионизация, вызываемая непосредственным воздействием ядерного излучения на молекулы газа. Амплитуда импульсов напряжения на нагрузке в этом режиме будет составлять в при воздействии -частиц с энергией При повышении напряжения на газоразрядной трубке возникает явление дополнительной, вторичной ионизации, благодаря чему ионизационный ток возрастает в 103— 104 раз. Однако при этом способность прибора фиксировать отдельные акты распада падает или, другими словами, растет «мертвое» время счетчика. Типовые счетчики способны регистрировать в этом режиме импульсов в секунду.

В области Гейгера 3 в счетчике существует коронный разряд, не нуждающийся для своего поддержания во внешнем возбудителе. Заряженные частицы только усиливают ток, протекающий через счетчик. Амплитуда импульса в этом режиме может достигать единиц и даже десятков вольт. Область, в которой работает газоразрядная трубка при заданном определяется выбором нагрузочного сопротивления.

Определенные перспективы применения в генераторах случайных сигналов имеют сцинтилляционные счетчики. Их действие основывается на способности ряда веществ излучать в виде световой вспышки часть энергии, затрачиваемой частицей или квантом на возбуждение и ионизацию молекул облучаемого вещества. Сцинтилляционный счетчик состоит из активного вещества и фотоэлектронного умножителя. В зависимости от типа используемого вещества длительность вспышки света

колеблется от до сек для неорганических соединений (йодистый натрий и сернистый цинк) и от до сек для органических веществ (стильбен и нафталин). Благодаря такой кратковременности световых вспышек можно получать серии случайных по моментам появления весьма коротких импульсов, следующих с большой частотой импульсов в секунду).

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика газоразрядного прибора.

В качестве приемника светового излучения вспышек используются фотоэлектронные умножители которые являются весьма широкополосными устройствами. Время нарастания тока для используемых ФЭУ лежит в пределах сек и ограничений на частоту следования импульсов не накладывает. В настоящее время такой средней частоты следования хаотических импульсов трудно достичь с помощью других устройств, поэтому использование сцинтилляционных счетчиков в качестве первичных источников сигналов весьма перспективно.

Необходимо отметить, что получаемый на выходе ФЭУ сигнал имеет сплошной и весьма равномерный спектр от нуля до нескольких десятков мегагерц, что следует рассматривать как важное преимущество такого типа первичного источника случайного сигнала. В то же время следует иметь в виду, что амплитуда импульсов света является величиной случайной, а ток на выходе ФЭУ в сильной степени зависит от приложенных к его аноду и динодам напряжений и интенсивности вспышки. Поэтому высокая стабильность средней частоты следования импульсов может быть достигнута только при использовании достаточно сложных схем стабилизации питания ФЭУ или частоты следования импульсов.

Для ФЭУ характерен высокий уровень собственных шумов, но это не накладывает ограничений на использование сцинтилляционных счетчиков в качестве первичных источников случайных сигналов. Более того, сам фотоэлектронный умножитель следует рассматривать

как весьма эффективный источник широкополосных шумовых напряжений.

Фотоэлектронные умножители и электровакуумные фотоэлементы.

В качестве первичного источника шумов успешно используются фотоэлектронные умножители Причиной возникновения флуктуаций тока ФЭУ является дробовой эффект. Флуктуации тока фотоэлектронного катода усиливаются во столько же раз, во сколько раз усиливается средняя составляющая тока фотоэлектронной эмиссии. К этим флуктуациям прибавляются флуктуации вторичной электронной эмиссии.

Эффективное значение флуктуационного тока ФЭУ определяется формулой

где В — экспериментальный коэффициент, лежащий в пределах и принимаемый обычно в расчетах равным средний ток фотокатода.

В качестве первичного источника шумов могут применяться и фотоэлементы с дальнейшим усилением флуктуаций ламповыми или полупроводниковыми усилителями. Но так как у современных ФЭУ коэффициент усиления К может достигать величины 106—108, то использовать фотоэлементы для указанных целей оказывается нецелесообразным.

Для более эффективного использования ФЭУ как первичного источника шумов следует правильно выбирать режим его работы, соответствующий максимальному значению К (этот режим обычно рекомендуется в паспорте прибора), а световой поток должен обеспечивать работу в районе верхнего загиба его световой характеристики, что составляет для большинства фотоумножителей Увеличение светового потока выше указанной нормы приводит к появлению пространственного заряда, быстрому утомлению фотокатода и сопровождается дрейфом эффективного напряжения шумов. Определенный выигрыш можно получить при использовании источника света со спектром в области максимума спектральной характеристики данного типа фотоэлектронного катода, но так как точка загиба световой характеристики достигается при использовании

сравнительно маломощных источников белого света, то следует в качестве источника света использовать лампы накаливания.

Ширина спектра шумов, генерируемых ФЭУ, ограничивается сверху его выходной емкостью и составляет гц. Снизу спектр ограничений практически не имеет.

Полупроводниковые диоды и транзисторы.

В качестве источников шумов могут использоваться также полупроводниковые диоды и транзисторы, которые должны работать в режиме обратного напряжения при обратном токе в несколько миллиампер. Ширина спектра шумов полупроводниковых приборов простирается от нескольких сот герц до 3 000 Мгц и выше.