ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01T1/24 

Изобретение относится к ядерному приборостроению, в частности к приборам для детектирования излучений, и может быть использовано для измерения плотности потока частиц ионизирующего излучения.

Известно устройство, содержащее полупроводниковый детектор и слой делящегося под действием нейтронов изотопа [1] . Недостатком этого устройства является низкая избирательность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является детектор, содержащий динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ) с матрицей накопителя, дешифратором строк и блоком усилителей записи-считывания [2] . Под действием частиц ионизирующего излучения в запоминающих ячейках (ЗЯ) матрицы накопителя ДОЗУ появляются сбои, т. е. ЗЯ являются детектирующими элементами. Число сбоев за заданный промежуток времени пропорционально плотности потока частиц. Вследствие порогового характера сбоев в ДОЗУ данный детектор регистрирует только частицы, обладающие достаточной ионизирующей способностью, в частности α-частицы с энергией более 5 МэВ. Благодаря этому избирательность детектора повышается.

Недостатком прототипа является узкий диапазон измерения плотностей потока частиц вследствие большого мертвого времени (интервала времени между моментами перезаписи информации в ЗЯ).

Целью изобретения является расширение диапазона измерения плотности потока частиц за счет снижения мертвого времени.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее матрицу накопителя (МН), соединенную с помощью адресной шины с n выходами дешифратора строк (ДС) и с помощью разрядной шины с m входами блока усилителей записи-считывания (БУЗС), введены элементы ИЛИ, счетчик и счетный триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с m+1 и m+2, входами БУЗС, а первый и второй вход - с первым и вторым входами детектора соответственно, прямой выход счетного триггера соединен со счетным входом счетчика, вход начальной установки которого соединен с первым входом детектора, k выходов соединены с соответствующими k входами дешифратора строк, а k+1-й выход - с выходом "Готов" детектора, m выходов блока усилителей записи-считывания соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным выходом детектора.

Детектор излучения отличается тем, что, во-первых, к m+1 и m+2 входами БУЗС подключены соответственно прямой и инверсный выходы счетного триггера, входы которого соединены с соответствующими входами детектора; во-вторых, прямой выход счетного триггера соединен со счетным входом счетчика, вход начальной установки которого соединен с первым входом детектора, а k выходов соединены с соответствующими входами дешифратора строк; в-третьих, выходов БУЗС соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным выходом детектора, что позволяет обнаруживать сбой хотя бы в одном разряде слова; в-четвертых, k+1-й выход счетчика соединен с выходом "Готов" детектора, что обеспечивает проведение многократных измерений без предварительного приведения детектора в исходное состояние.

Благодаря введению элемента ИЛИ, счетчика и счетного триггера в указанной связи с остальными элементами скорость перезаписи информации в ЗЯ матрицы накопителя, обнаружения появившихся в них за время между импульсами восстановления информации сбоев и передачи соответствующих сигналов на информационный выход, возрастает, что приводит к снижению мертвого времени.

На фиг. 1 представлена функциональная схема детектора; на фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема запоминающей ячейки; на фиг. 3 изображена электрическая схема усилителя записи-считывания; на фиг. 4 представлена временная диаграмма работы детектора.

Детектор излучения содержит (фиг. 1) матрицу накопителя (МН) 1, счетчик 2, дешифратор строк (ДС) 3, счетный триггер 4, m-канальный блок усилителей записи-считывания (БУЗС) 5, m-входовый элемент ИЛИ 6, первый 7 и второй 8 входы, выход 9 "Готов" и информационный выход 10.

МН 1 содержит mxm однотранзисторная ЗЯ (фиг. 2), объединенных адресными шинами, подключенными к затворам транзисторов ЗЯ, в n строк, а разрядными шинами, подключенными к стокам транзисторов, - в m столбцов.

Счетный триггер 4 - Т-типа, имеет два входа: вход установки в нуль и счетный вход.

БУЗС 5 имеет m одинаковых каналов, объединенных шиной чтения RD, подключенной к прямому выходу счетного триггера 4, и шиной записи WR, подключенной к инверсному выходу счетного триггера 4. Входы каждого БУЗС 5 через разрядные шины подключены к соответствующим столбцам МН 1, а выходы - к входам элемента ИЛИ 6.

Один канал БУЗС 5 изображен на фиг. 3. Он содержит три МОП-транзистора: транзистор VT1 является нагрузочным, транзистор VT2 при подаче на его затвор сигнала записи WR обеспечивает заряд запоминающего конденсатора соответствующей ЗЯ строки НМ, выбранной сигналом АШ_i, до уровня логической "1". Транзистор VT3 при наличии сигнала чтения RD, сигнала выбора строки АШ_i (фиг. 2) и отсутствии сигнала записи WR обеспечивает считывание в инверсном виде содержимого ЗЯ, находящейся на пересечении выбранной сигналом АШ_i строки и столбца, соответствующего подключенной к входу канала БУЗС разрядной шины.

БУЗС 5 обеспечивает считывание содержимого всех m ЗЯ выбранной сигналом A_i строки ГМ 1 и последующую запись в них логических "1" при поступлении на его входы сигналов RD и WR соответственно.

Элемент ИЛИ 6 объединяет m выходов БУЗС 5.

Детектор работает следующим образом. Перед началом измерений детектор приводится в исходное состояние путем выдачи на его первый вход 7 импульса начальной установки, а на второй вход 8 - тактовых импульсов от внешнего генератора (фиг. 4, диаграммы 1-2). Импульс начальной установки устанавливает счетный триггер 4 и счетчик 2 в нулевые состояния, при этом ДС 3 выбирает первую строку, формируя адрес A_i, а сигнал WR с прямого выхода счетного триггера 4 обеспечивает через БУЗС 5 запись логических "1" во все ЗЯ первой строки.

Первый тактовый импульс поступает на счетный вход счетного триггера 4 и изменяет его состояние. Сигнал высокого уровня с прямого выхода счетного триггера 4 поступает одновременно на вход чтения БУЗС 5 и счетный вход счетчика 3, изменяя его состояние. В результате происходит выбор второй строки МН 1 и считывание ее содержимого через БУЗС 5 и элемент ИЛИ 6 на информационный выход 10 детектора. До поступления первого сигнала с выхода 9 "Готов" детектора сигналы с информационного выхода 10 не обрабатываются.

Второй тактовый импульс вновь изменяет состояние счетного триггера 4; состояние счетчика 2 и адрес выбранной строки при этом остаются неизменными, сигнал записи с инверсного выхода счетного триггера 4 обеспечивает запись в ЗЯ второй строки МН 1 логических "1".

Третий и четвертый тактовые импульсы, изменяя состояние счетного триггера 4 и счетчика 2, обеспечивают считывание и запись информации в третьей строке МН 1 (фиг. 4, диаграммы 3-8).

После поступления 2n-1 тактового импульса МН 1 будет полностью заполнена логическими "1" и 2n+1-й импульс приведет к переполнению счетчика. Импульс переполнения поступит на выход "Готов" детектора и будет являться сигналом готовности к проведению измерения. Импульс на выходе "Готов" будет появляться с периодичностью (2n+2) T_o, где Т_о - период следования тактовых импульсов на втором входе 8 детектора (фиг. 4, диаграммы 2, 9).

При проведении измерения детектор работает следующим образом. Частицы измеряемого излучения (нейтроны, протоны и др. ) или фотоны при взаимодействии с материалами детектора с некоторой вероятностью, определяемой сечением соответствующей ядерной реакции, приводят к образованию вторичных частиц, например α-частиц.

α-частицы с энергией к МэВ и более, попадающие в поверхность кристалла МН 1 или генерируемые непосредственно в материалах кристалла в результате ядерных взаимодействий, тормозятся, генерируя до 2,5 млн электронно-дырочных пар. Если α-частица попадает в кристалл или будет генерирована в нем вблизи ЗЯ, то числа образующихся электронов может оказаться достаточным для переключения ЗЯ в нулевое состояние. Таким образом, α-частицы с определенной вероятностью приводят к сбоям ЗЯ МН 1. Возможны и другие каналы сбоев в ЗЯ.

Строки МН 1 опрашиваются сигналом выбора адреса строки A_i и сигналом чтения WR. При этом на вход элемента ИЛИ 6 с частотой f_г = /2, где f_г = 1/Т_о, поступают m-разрядные двоичные векторы, в которых число "1" равно количеству переключившихся за время τ = 2Т_оn в строке с адресом A_i ЗЯ. Сигнал на информационном выходе 10 детектора появляется, если в двоичном векторе содержится хотя бы одна "1". Восстановление состояния логической "1" в ЗЯ i-й строки при наличии сбоев произойдет при поступлении сигнала WR (фиг. 4), следующего за сигналом RD.

Опрос всех строк МН 1 произойдет за время τ. Одновременно τ является временем регистрации излучения, а также максимальным временем до восстановления в ЗЯ состояния логической "1" после происшедшего в случайный момент на интервале (0, τ) сбоя.

Информация о количестве строк, в которых хотя бы одна ЗЯ изменила свое логическое состояние, передается через информационный выход 10 устройства обработки информации, где происходит определение интенсивности сбоев λ = K_и/τ, где K_и - суммарное количество импульсов, поступивших на информационный выход 10 детектора за время однократного измерения τ.

Интенсивность сбоев пропорциональна плотности потока частиц. Коэффициент пропорциональности определяется сечением сбоев σ, устанавливаемым экспериментально для каждого вида излучения в процессе калибровки детектора. Плотность потока частиц определяется по формуле П = λ/σ или П = λ/σ_оN, где N - информационная емкость МН 1; σ_o - сечение сбоев в расчете на 1 бит.

Сигнал окончания текущего измерения, выдаваемый на выход "Готов" 9 после считывания и восстановления информации в последней строке МН 1, используется для синхронизации работы устройств обработки информации, работающих совместно с детектором.

При работе в режиме многократных измерений детектор позволяет измерять плотность нестационарного потока частиц (при условии, что характерное время его изменения соизмеримо с временем измерения).

Оценим диапазон изменения плотности потока частиц с помощью детектора излучения. Нижняя граница диапазона определяется плотностью потока, при которой за время Т = l τ, где l - число однократных измерений, будет зарегистрирован хотя бы один сбой, и вычисляется по формуле П_* = 1/(l τσ_o). Путем увеличения l достигается снижение П_* до заданного уровня.

С увеличением П линейность зависимости П(λ) нарушается, приводя к снижению точности и таким образом ограничению сверху диапазона измерения. Причиной снижения точности является снижение собственной эффективности регистрации сбоев в ДОЗУ η = K_и/K, где К = σ_o NП τ. Величина η определяется, главным образом, зависящей от λ вероятностью попадания в ЗЯ за время τ более одной частицы. Для заданной величины η верхняя граница диапазона измерения определяется по формуле П* = с/(σ_o N τ), где с - константа, равная при η= 0,9 0,53. Величина П* обратно пропорциональна τ, поэтому снижение мертвого времени детектора, которое может достигать нескольких порядков, приводит к соответствующему расширению диапазона плотности потока частиц. (56) 1. Веретенников А. И. и др. Методы исследования импульсных излучений. М. , Энергоатомиздат, 1985, с. 26.

2. Ефимов И. Е. Микроэлектроника. М. : Высшая школа, 1987, с. 292.

Область использования: ядерное приборостроение, в частности приборы для регистрации ионизирующих излучений, для расширения диапазона измерения плотности потока излучения. Сущность изобретения: детектор содержит матрицу накопителя, соединенную с помощью адресной шины с n выходами дешифратора строк и с помощью разрядной шины - с m входами блока усилителей записи-считывания. Новым является наличие элемента ИЛИ, счетчика и счетного триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с m + 1 и m + 2 входами блока усилителей записи-считывания, а первый и второй входы - с первым и вторым входами детектора соответственно, прямой выход счетного триггера соединен со счетным входом счетчика, вход начальной установки которого соединен с первым входом детектора. K выходов соединены с соответствующими K входами дешифратора строк, а K + 1-й выход - с выходом "Готов" детектора, m выходов блока усилителей записи-считывания соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным выходом детектора. 4 ил.

ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий матрицу накопителя, соединенную с помощью адресной шины с n выходами дешифратора строк и с помощью разрядной шины с m входами блока усилителей записи-считывания, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, в детектор излучения введены элемент ИЛИ, счетчик и счетный триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с m + 1 и m + 2 входами блока усилителей записи-считывания, а первый и второй вход - с первым и вторым входами детектора соответственно, прямой выход счетного триггера соединен со счетным входом счетчика, вход начальной установки которого соединен с первым входом детектора, k выходов упомянутого триггера соединены с соответствующими k входами дешифратора строк, а (k + 1)-й выход - с выходом "Готов" детектора, m выходов блока усилителей записи-считывания соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным выходом детектора.