ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 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.

Известен детектор, содержащий динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ) с матрицей накопителя (МН), дешифратором строк (ДС) и блоком усилителей записи-считывания. (БУЗС) [1]. Под действием частиц ионизирующего излучения в запоминающих ячейках (ЗЯ) МН ДОЗУ появляются сбои, т.е. ЗЯ являются детектирующими элементами с мертвым временем, зависящим от периода перезаписи информации в ЗЯ. Число сбоев за заданный промежуток времени пропорционально плотности потока частиц.

Недостатком детектора является узкий диапазон измерения плотности потока частиц вследствие большого мертвого времени.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является детектор, содержащий МН, ДС, БУЗС, элемент ИЛИ, счетчик и счетный триггер [2] . Благодаря уменьшению периода перезаписи информации и обнаружения сбоев в МН мертвое время ЗЯ снижается.

Недостатком прототипа является узкий диапазон измерения плотности потока частиц вследствие низкой эффективности их регистрации при больших уровнях излучения.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи расширения диапазона измерения плотности потока частиц излучения. В результате осуществления изобретения расширяется диапазон измерения плотности потока частиц излучения за счет повышения эффективности их регистрации при высоких уровнях излучения.

Для решения указанной задачи в известный детектор излучения, содержащий МН, соединенную с помощью адресной шины с n входами ДС и с помощью разрядной шины с m входами БУЗС, m + 1 и m + 2 входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами счетного триггера, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами детектора соответственно, прямой вход счетного триггера соединен со счетным входом счетчика, вход начальной установки которого соединен с первым входом детектора, k выходов упомянутого счетчика соединены с соответствующими k входами ДС, а k + 1-й выход с выходом "Готов" детектора, введен преобразователь числа сбоев в строке в двоичный код, m входов которого соединены с соответствующими m выходами БУЗС, а log₂m выходов - с соответствующими информационными выходами детектора.

Преобразователь числа сбоев в строке в двоичный код содержит log₂m уровней суммирования, причем первый уровень содержит m/2 одноразрядных полусумматора, входы которых соединены с выходами БУЗС, а выходы - со входами сумматоров последующего уровня, j-й уровень суммирования содержит по m/2^j j-разрядных сумматора, входы которых соединены с выходами сумматоров предыдущего уровня, а выходы - со входами сумматоров последующего уровня, последний уровень содержит log₂m - разрядный сумматор, входы которого соединены с выходами сумматоров предыдущего уровня, а выходы соединены с информационными выходами детектора.

Существенными признаками, характеризующими заявляемое изобретение, являются:
- во-первых, МН с помощью адресной шины соединена с n входами ДС и с помощью разрядной шины с m входами БУЗС;
- во-вторых, к m + 1 и m + 2 входам БУЗС подключены соответственно прямой и инверсный выходы счетного триггера, входы которого соединены с соответствующими входами детектора;
- в-третьих, 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 ДС;
- в-четвертых, k + 1-й выход счетчика соединен с выходом "готов" детектора, что обеспечивает проведение многократных измерений без предварительного приведения детектора в исходное состояние.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- во-первых, к m выходам БУЗС подключены соответствующие m входов преобразователя, log₂m выходов которого соединены с соответствующими информационными выходами детектора, что позволяет передавать на информационные выходы детектора информацию о любом числе сбоев в строке, благодаря чему повышается эффективность регистрации излучения;
- во-вторых, преобразователь числа сбоев в двоичный код построен по схеме пирамидального сумматора, состоящего из log₂m уровней суммирования, входы которого соединены с выходами БУЗС, а выходы - с информационными выходами детектора, благодаря чему обеспечивается подсчет числа сбоев в каждой строке МН при произвольной комбинации ЗЯ, в которых произошел сбой.

На фиг. 1 представлена функциональная схема детектора; на фиг. 2 - 4 - функциональные схемы соответственно полусумматора, сумматора j-го уровня и полного сумматора; на фиг. 5 - пример исполнения преобразователя на 16 входов.

Детектор излучения содержит (фиг. 1) МН 1, счетчик 2, ДС 3, счетный триггер 4, m-канальный БУЗС 5, преобразователь числа сбоев в строке в двоичный код 6, первый 7 и второй 8 входы, выход 9 "готов" и log₂m информационных выходов 10.

МН 1 содержит n x m ЗЯ, объединенных адресным шинами в n строк, а разрядными шинами - в m столбцов. Счетчик 2 и ДС 3 - стандартные. Счетный триггер 4 - Т-типа имеет 2 входа: вход установки в нуль и счетный вход.

БУЗС 5 имеет m одинаковых каналов, объединенных шиной чтения RD, подключенной к прямому выходу триггера 4, и шиной записи WR подключенной к инверсному выходу триггера 4. Входы каждого канала БУЗС 5 через разрядные шины подключены к соответствующим столбцам МН 1, а выходы - ко входам преобразователя 6. БУЗС 5 обеспечивает считывание содержимого всех m ЗЯ выбранной строки МН 1 и последующую запись в них логических "1" при поступлении на его входы сигналов RD ^.R и WR ^. соответственно.

Преобразователь 6 осуществляет преобразование числа сбоев в строке МН 1, зависящего от уровня излучения, в соответствующий этому числу двоичный код. Преобразователь построен по схеме пирамидального сумматора и имеет log₂m уровней суммирования. Первый уровень содержит m/2 одноразрядных полусумматоров (фиг. 2). Последующие j-e уровни содержат по m/2^j одинаковых j-разрядных сумматоров (фиг. 3). В состав каждого сумматора входит 2 полусумматора, схема ИЛИ и (j - 2) полных сумматоров (фиг. 4). Последний уровень содержит log₂m-разрядный сумматор, выходы которого являются информационными выходами детектора.

Пример функциональной схемы преобразователя на 16 входов изображен на фиг. 5.

Преобразователь 6 выполняется на отдельном кристалле, размещаемом в одном корпусе с остальными элементами БИС ИИ. Его элементы выполняются по технологии, обеспечивающей малую задержку распространения сигнала от входа к выходу преобразователя, например, по ТТЛШ-технологии.

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. Импульс начальной установки устанавливает счетный триггер 4 и счетчик 2 в нулевые состояния, при этом ДС 3 выбирает первую строку МН 1, формируя адрес Ai, 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 преобразователь 6 на информационные выходы 10 детектора. До поступления первого сигнала с выхода 9 "Готов" детектора сигналы с информационных выходов 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.

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.

При проведении измерения детектор работает следующим образом.

Частицы ионизирующего излучения с вероятностью, определяемой сечением сбоев σ , приводят к появлению сбоя в одной из ЗЯ МН 1. С возрастанием времени регистрации Т и плотности потока излучения П число сбоев увеличивается. Строки МН 1 опрашиваются сигналом выбора адреса строки Ai и сигналом чтения WR. При этом на вход преобразователя 6 с частотой f_г/2, где f_г = 1/T_o, поступают m-разрядные двоичные векторы, в которых число "1" равно количеству переключившихся за время τ = 2T_on в строке с адресом Ai ЗЯ. Преобразователь 6 преобразует информацию о числе сбоев в строке в соответствующий двоичный код, поступающий на информационные выходы 10 детектора.

Восстановление состояния логической "1" в ЗЯ i-й строки при наличии сбоев произойдет при поступлении сигнала WR, следующего за сигналом RD.

Опрос всех строк МН 1 происходит 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.

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.

Информация о числе сбоев в МН передается через информационные выходы 10 детектора в устройства обработки информации, где происходит определение числа сбоев K = K_i, где K_i - число сбоев в i-й строке МН 1, и интенсивности сбоев λ =
Плотность потока частиц определяется по измеренному значению с помощью зависимости
П =
Зависимость σ (П) определяется при калибровке детектора.

Оценим диапазон измерения плотности потока частиц ионизирующего излучения с помощью заявляемого устройства и прототипа. Будем полагать, что информационная емкость и сечение сбоев у прототипа и заявляемого устройства одинаковы.

Нижняя граница плотности потока частиц как в заявляемом устройстве, так и в прототипе определяется плотностью потока частиц, при которой за время измерения T = l τ , где l - число однократных измерений, в МН 1 будет зарегистрирован и передан на информационный выход детектора один отсчет, т.е. λ_* = 1/T. Следовательно
П_* = =
Верхняя граница диапазона П* определяется максимально возможной интенсивностью сбоев λ^* , регистрируемой детектором, т.е.

П^* =
Пусть МН 1 содержит 256 х 256 ЗЯ. Величина Т_о для прототипа определяется из условия
Т_о ≥ max{t_A(CAS), τ_p},
где t_A(CAS) - минимальное время выборки сигнала строки динамической БИС ОЗУ (для БИС ОЗУ 565РУ5Б составляет ≈ 70 ^. 10^-9 с),
τ_p - время переключения элемента ИЛИ, равное времени переключения логического элемента (для ТТЛШ ИС серии 1531 составляет ≈ 2,7 ^. 10^-9 с). Примем Т_о = 70x x10^-9 с.

Тогда для прототипа
λ^* = = = 1,5·10⁴ сб/с а при условии введения поправки в результат измерения, учитывающей эффективность регистрации
λ^* = = = 7,1·10⁶ сб/с
Для заявляемого устройства должно выполняться соотношение
T_o ≥ max{ t_A(CAS), τ_o}, где τ_o - задержка распространения сигнала от входа к выходу преобразователя, вычисляемая по формуле
τ_o = τ_p+ (2j-3)τ_p
τ_p - время распространения сигнала от входа к выходу одного логического элемента, входящего в состав преобразователя. Так как τ_o > t_A(CAS), то время регистрации детектора определяется временем установления показаний на выходе преобразователя τ_o . Для m = 256 τ_o = 50 τ_р = 135 ^. 10^-9 c. Принимаем Т_о = 140 ^. 10^-9 с. Тогда
λ^* = = = = 9,1·10⁸ сб/с
Пусть Т = 1 с, тогда отношение П^*/П_* у прототипа составляет 7,1 ˙ 10⁶, а у заявляемого устройства - 9,1 ˙ 10⁸.

Таким образом, для МН емкостью 64 К бит диапазон измерения плотности потока частиц ионизирующего излучения в заявляемом устройстве более чем на 2 десятичных порядка шире, чем у прототипа.

Использование: ядерное приборостроение, в частности приборы для регистрации ионизирующих излучений. Сущность изобретения: для расширения диапозона измерения плотности потока излучения детектор содержит матрицу накопителя соединенную с помощью адресной шины с n входами дешифратора строк и с помощью разрядной шины с m входами блока усилителей записи - считывания, m+1 и m+2 входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами счетного триггера, первый и второй входы которого соединены 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 счетчика соединены с соответствующими K входами дешифратора строк, а K 1-ый выход с выходом "Готов" детектора. Преобразователь числа сбоев в строке в двоичный код содержит log₂m групп сумматоров, m входов которого соединены с соответствующими m выходами блока усилителей записи - считывания, а log₂m выходов - с соответствующими информационными выходами детектора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий матрицу накопителя, первый - n-й входы которой соединены с помощью адресной шины соответственно с первым - n-м входами дешифратора строк, а первый - m-й выходы которой с помощью разрядной шины соединены соответственно с первым - m-м входами блока усилителей записи-считывания, (m + 1)-й и (m + 2)-й входы которого подключены соответственно к прямому и инверсному выходам счетного триггера, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами детектора излучения, прямой выход счетного триггера соединен со счетным входом счетчика, вход начальной установки которого соединен с первым входом детектора, первый - K-й выходы упомянутого счетчика соединены соответственно с первым - K-м входами дешифратора строк, а (K + 1)-й выход счетчика является выходом "Готов" детектора излучения, отличающийся тем, что в детектор излучения введен преобразователь числа сбоев в двоичный код, первый - m-й входы которого соединены соответственно с первым - m-м выходами блока усилителя записи-считывания, а первый - log₂m-й выходы являются соответственно первым - log₂m-м выходами детектора. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что преобразователь числа сбоев в двоичный код соедржит log₂m групп сумматоров, первая группа которых содержит m/2 одноразрядных полусумматоров, входы которых являются первым - m-м входами преобразователя, а выходы соединены с входами сумматоров последующей группы, j-я группа сумматоров содержит по m/2^j разрядных сумматора, входы которых соединены с выходами сумматоров предыдущей группы уровня, а выходы - с входами сумматоров последующей группы, последняя группа сумматоров содержит log₂m-разрядный сумматор, входы которого соединены с выходами сумматоров предыдущего уровня, а выходы являются первым - log₂m-м информационными выходами преобразователя.