СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СПЕКТРОМЕТРА Российский патент 1997 года по МПК G01T1/40 

Изобретение относится к способам стабилизации спектрометрических трактов сцинтилляционными детекторами, предназначенными для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения. Оно может быть использовано при проведении научных и прикладных исследований, например по активационному анализу, а также при создании аппаратуры для ядерно-физических экспериментов.

Нестабильность спектрометрического тракта обусловлена влиянием таких факторов, как изменение температуры окружающей среды, технических параметров элементов электронных схем, скорости счета регистрируемых импульсов и является одной из основных причин появления погрешности измерений, например при количественном отделении содержания элементов в веществе методом активации и спектрометрии ядерных излучений.

Наибольшее распространение получили сцинтилляционные спектрометры, стабилизация в которых осуществляется на основе сравнения скоростей счета в двух окнах, расположенных на склонах реперного пика. В качестве репера используют как импульсы от изотропного реперного источника, так и световые импульсы, образующиеся при освещении фотокатода ФЭУ кратковременными стабильными по интенсивности вспышками света.

Канал стабилизации в спектрометре выполняет вспомогательные функции и обеспечивает заданный уровень коэффициента усиления в аналитическом канале, в котором проводятся количественные измерения импульсов ядерного излучения анализируемого радионуклида.

Известен спектрометр, в котором для стабилизации используют излучение реперного радиоактивного источника или пик измеряемого излучения [1] с помощью дифференциальных амплитудных анализаторов формируют два окна стабилизации, симметрично расположенные на склонах реперного пика, а затем на схеме сравнения сравнивают скорости счета в окнах стабилизации для получения сигнала рассогласования, который подают на исполнительное устройство (управляемый усилитель или источник питания ФЭУ).

Наряду с достоинством такого спектрометра, заключающимся в том, что репер имеет ту же природу, что и анализируемое излучение и в этом случае стабилизацией охватывается и сам сцинтиллятор, он имеет ряд существенных недостатков. К основным из них можно отнести то, что не всегда в спектре анализируемого образца имеется пик, пригодный для использования в системе стабилизации, а введение реперного изотропного источника приводит к искажению формы спектра анализируемого вещества, например за счет наложения комптоновского излучения и, кроме того, не всегда возможно подобрать стабильный изотропный реперный источник с излучением в требуемой энергетической области. Размещение же реперного источника на фоновом пьедестале, причем, если наклон и интенсивность пьедестала от измерения к измерению изменяются, приводит к появлению значительной дополнительной погрешности стабилизации вследствие того, что разность интенсивностей счета в окнах стабилизации, возникающая из-за наличия фонового пьедестала под реперным пиком, компенсируется смещением максимума пика, т.е. изменением коэффициента усиления всего измерительного тракта. Как следствие, возникает дополнительная погрешность измерений в аналитических окнах спектрометра, причем этот процесс не контролируется и, следовательно, эту дополнительную погрешность невозможно учесть.

Известна система стабилизации (авт. св. СССР N 949571 ) [2] в которой уменьшение погрешности стабилизации из-за наличия фонового пьедестала основывается на компенсации в реверсивном счетчике импульсных потоков с выхода основных дискриминаторов, образующих два окна стабилизации на склонах реперного типа, фоновыми импульсными потоками дополнительных дискриминаторов, амплитудные окна которых расположены на спектре выше и ниже реперного пика, причем фоновые потоки пересчитаны в соответствии с математической зависимостью, полученной из условия аппроксимации наклонного участка фонового спектра под реперным пиком прямой линией.

Недостатки известной системы стабилизации обусловлены неточным учетом фона под реперным пиком и усложнением схемы спектрометра за счет введения дополнительных устройств. Принятое в системе стабилизации допущение о прямолинейном характере фонового распределения не позволяет достаточно точно учесть скорость счета импульсов под реперным пиком в процессе регистрации радионуклида. Увеличение количества окон стабилизации до четырех снижает надежность системы стабилизации и ухудшает ее точность, т.к. измерение ширины окон в результате температурного дрейфа, старения элементов и воздействия других факторов приводит к появлению рассогласования между каналами стабилизации и его отработке системой стабилизации. Причем, чем больше окон, тем больше вероятность подобного воздействия на систему стабилизации.

Применение светорепера для стабилизации спектрометра позволяет устранить недостатки, присущие методу стабилизации по изотопному реперному источнику, т. к. изменяя величину тока, протекающего через источник света, можно менять амплитуду светорепера и располагать его в требуемой энергетической области, можно вообще исключить реперные сигналы из измеряемого распределения, поскольку источник реперных сигналов управляется внешним импульсом. Кроме того, применение светорепера не приводит к искажению спектра, а периодический характер следования реперных импульсов исключает дополнительное уширение линий спектра, обусловленное статистическими флуктуациями на выходе системы регулирования, следовательно, не вносит дополнительных погрешностей в результаты измерения в аналитическом окне.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является способ стабилизации сцинтилляционного спектрометра, заключающийся в формировании сигнала коррекции по разности скоростей счета в двух смежных каналах, образованных дифференциальными дискриминаторами на склонах пика, образованного световыми импульсами [3]
Недостатки прототипа обусловлены тем, что изменение температуры окружающей среды приводит к изменению световыхода сцинтиллятора (фосфора), а поскольку он исключен из системы стабилизации, то появляется дополнительная погрешность измерения. Кроме того, изменение температуры окружающей среды приводит к существенному изменению силы света источника световых вспышек, в качестве которого чаще всего применяются полупроводниковые светодиоды, независимо от протекающего через него тока, что, в свою очередь, приводит к изменению амплитуды светового импульса на выходе усилителя, которое компенсируется изменением коэффициента усиления всего измерительного тракта и приводит к появлению дополнительной погрешности измерения.

Цель изобретения повышение температурной стабильности и точности анализа на сцинтилляционном спектрометре.

Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации спектрометра, содержащего канал стабилизации по реперному источнику, основанном на учете флуктуаций скорости счета импульсов в реперном канале путем формирования сигнала коррекции исполнительного устройства спектрометра по результатам сравнения скорости счета импульсов в двух окнах стабилизации, расположенных на склонах реперного пика, до начала измерения при отсутствии анализируемой пробы и выключенном светорепере, к детектору подают изотропный реперный источник в качестве контрольного излучателя, производят стабилизацию измерительного тракта по этому контрольному излучателю, запоминают значение полученного сигнала коррекции U_к и фиксируют состояние исполнительного механизма системы стабилизации, разрывают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройства и удаляют контрольный излучатель, на позицию измерения подают анализируемую пробу, а в детектор вводят репер, световой или от изотопного источника, получают новый сигнал коррекции U_к', окна стабилизации или сам реперный пик перемещают таким образом, чтобы сигнал коррекции U_к' принял значение, равное полученному при стабилизации по контрольному излучателю (U_к), и включают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство для стабилизации спектрометра.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что в отличие от прототипа, где амплитуда светорепера не контролируется и, следовательно, все ее изменения за счет изменения световыхода источника световых сигналов приводят к появлению дополнительной погрешности измерения в заявляемом способе стабилизации вводится изотопный реперный источник в качестве контрольного излучателя, обеспечивающего абсолютное постоянство энергии. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Существенные отличия заявляемого способа от прототипа и известного технического решения [2] заключается в том, что перед измерением спектрометр стабилизируется по контрольному излучателю, а затем в присутствии анализируемого образца система стабилизации подстраивается по реперу таким образом, чтобы коэффициент усиления всего измерительного тракта стал равным коэффициенту усиления при стабилизации по контрольному излучателю и только после этого система стабилизации включается в работу. Тем самым практически полностью исключаются дополнительные погрешности как от появления пьедестала под реперным пиком, так и от температурных изменений световыхода сцинтиллятора и источника световых импульсов при проведении измерений, например серии проб с разным элементным составом. Все подстройки и компенсации производятся методом прямых измерений, без аппроксимации спектра и математической обработки, что исключает появление дополнительной погрешности. Кроме того, не усложняется спектрометр, т.к. число окон стабилизации остается равным двум. При изучении других известных технических решений в данной области не были выявлены признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В отсутствии анализируемой пробы на позиции измерения к детектору подается контрольный излучатель (изотопный источник). По пику излучения контрольного излучателя производится стабилизация измерительного тракта. По истечении времени стабилизации запоминается значение сигнала коррекции U_к, поступающего на исполнительный элемент системы стабилизации и фиксируется состояние самого исполнительного механизма, тем самым фиксируется значение коэффициента усиления отстабилизированного тракта. Затем разрывается цепь подачи сигнала коррекции на исполнительный механизм системы стабилизации (коэффициент усиления тракта при этом не должен изменить свое значение). Контрольный излучатель удаляется от детектора (например, уводится в защиту), на позицию измерения подается анализируемая проба и включается светорепер или вводится изотопный реперный источник в зависимости от конкретного метода стабилизации (возможно использование для этой цели и контрольного излучателя). Система стабилизации начинает вырабатывать новое значение сигнала коррекции U_к' за счет того, что или появился фоновый пьедестал под реперным пиком, или сам пик может занимать другое положение по сравнению с пиком контрольного излучателя. Если при этом подать сигнал коррекции на исполнительное устройство системы стабилизации, то система стабилизации отработает новое значение сигнала коррекции U_к' и коэффициент усиления измерительного тракта изменится. Чтобы сохранить значение коэффициента усиления неизменным, после подачи анализируемой пробы на позицию измерения и появления реперного сигнала (цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство еще разомкнута), окна системы стабилизации или сам реперный пик (в случае светорепера) перемещают до тех пор, пока сигнал U_к' не примет значение, равное U_к, т. е. пока коэффициент усиления измерительного тракта при наличии пробы и реперного сигнала не станет равным коэффициенту усиления, полученному при отсутствии анализируемой пробы по контрольному излучателю. Как только U_к'= U_к, подключают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство системы стабилизации и в дальнейшем в процессе измерения анализируемой пробы постоянство коэффициентов усиления поддерживается работающей системой стабилизации. Таким образом, коэффициент усиления измерительного тракта при использовании предлагаемого метода стабилизации во всех случаях имеет одно и то же значение. Если при работе со светорепером к моменту измерения следующей пробы изменилась температура и в результате этого изменился световыход источника световых импульсов, то это изменение будет скомпенсировано в процессе подстройки коэффициента усиления по контрольному излучателю.

Один из вариантов практической реализации предлагаемого способа поясняется чертежом.

Сцинтилляционный детектор 1 со встроенным светодиодом для получения светового репера размещается на позиции измерения. Сигнала, зарегистрированные детектором, через усилитель 2 поступают на вход двухканального дифференциального дискриминатора 3, который выделяет в спектре регистрируемых сигналов два окна канала стабилизации. Разность скоростей счета в окнах дискриминатора преобразуется в формирователе сигнала коррекции 4, управляемом от управляющего устройства 5, в корректирующее напряжение, поступающее на исполнительное устройство 6. Управляющее устройство управляет, кроме того, амплитудой выходного сигнала генератора привода светодиода 7.

При отсутствии пробы на позиции измерения производят стабилизацию тракта по контрольному излучателю, затем по команде от управляющего устройства 5 формирователь сигнала коррекции 4 запоминает значение корректирующего напряжения U_к и поддерживает это состояние на своем выходе неизменным до прихода команды от управляющего устройства, т.е. разрывается цепь обратной связи канала стабилизации. После удаления контрольного излучателя и прихода на позицию измерения анализируемой пробы управляющее устройство 5 включает светорепер и формирователь сигнала коррекции 4 вырабатывает новое значение напряжения коррекции U_к' (при этом на выходе его сохраняется значение U_к), после чего управляющее устройство 5 с учетом знака и величины рассогласования U_к и U_к' начинает изменять амплитуду импульса светового репера от генератора 7 до тех пор, пока значения U_к и U_к' не станут равными. После этого управляющее устройство 5 включает формирователь сигнала коррекции 4 в работу канала стабилизации (замыкает цепь обратной связи) и дальнейшее измерение анализируемой пробы происходит со стабилизацией по светореперу.

Для практической реализации предлагаемого способа были использованы в качестве детектора 1 детектор БДИГ-19м, усилителя 2 импульсный усилитель БУИ-6м, дифференциального дискриминатора 3, формирователя сигнала коррекции 4 и генератора привода светодиода 7 блок стабилизации БПН-8м, исполнительного устройства 6 высоковольтный источник питания БНВ-31м, исполнительного устройства 5 микроЭВМ.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа достигается за счет улучшения воспроизводимости результатов измерения полезного сигнала в аналитическом канале как конечной цели регистрации ядерных излучений в аналитических исследованиях.

Экспериментальное подтверждение приведено в табл. 1-3.

В табл. 1 даны результаты определения положения изотопного (E=661 кэВ) и светореперов в режиме работы без стабилизации, в табл. 2 приведены данные, полученные при непрерывной стабилизации коэффициента усиления по светореперу, а в табл. 3 результаты, характеризующие работу спектрометра при периодической коррекции положения светорепера по контрольному изотопному излучателю. Учитывая, что простое определение максимума пика недостаточно точно характеризует его положение, в табл. 3 приведены результаты расчета центроидов пика. Как видно из табл. 3, разброс значений не превышает +- 0,5% отн. (при среднеквадратическом отклонении 0,25 отн. ). Результаты табл. 1 и табл. 2 свидетельствует о том, что работа без стабилизации коэффициента или только со стабилизацией по светореперу сопряжена с заметными уходами положения измеряемых пиков, которые в течение дня составляют около 2% (табл.1) при работе без стабилизации и около 1% (табл.2) при использовании стабилизации только по светореперу.

Данное техническое решение может быть использовано, в частности в установках для анализа золотосодержащей породы. Повышение точности измерения наведенной активности золотосодержащей породы позволяет, в конечном счете, получить дополнительный экономический эффект за счет сокращения потерь золота и уменьшения стоимости его извлечения.

Источники информации.

1. Цитович А.П. Ядерная электроника, М. Энергоатомиздат. 1984, с. 47.

2. Брагин А.А. Бухало О.П. Ролик Е.И. Страшкевич А.И. Федорив Р.Ф. Щербинин Н.И. Система стабилизации энергетической шкалы спектрометра, Авторское свидетельство N 949571 (СССР).

3. Матвеев В.В. Хазанов Б.И. Приборы для измерения ионизирующих излучений, М. Атомиздат, 1967, с. 626 629.

Использование: стабилизация спектрометрических трактов со сцинтилляционными детекторами, предназначенными для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения при проведении научных и прикладных исследований, например, по активационному анализу, а также при создании аппаратуры для ядерно-физических экспериментов. Сущность изобретения: способ основан на формировании сигнала коррекции исполнительного устройства спектрометра по результатам измерения скорости счета импульсов в двух окнах стабилизации, расположенных на склонах реперного пика, причем начальное значение сигнала коррекции при каждом измерении устанавливается перемещением реперного пика или окон стабилизации одним и тем же, равным по величине сигналу коррекции, полученному предварительно по контрольному излучателю при отсутствии анализируемой пробы. Положительный эффект от использования изобретения достигается за счет повышения температурной стабильности и точности анализа на сцинтилляционном спектрометре. 1 ил., 3 табл.

Способ стабилизации спектрометра, основанный на учете флуктуаций скорости счета импульсов в реперном канале путем формирования сигнала коррекции исполнительного устройства спектрометра по результатам сравнения скорости счета импульсов в двух окнах стабилизации, расположенных на склонах реперного пика, отличающийся тем, что до начала измерений при отсутствии анализируемой пробы к детектору подают изотопный реперный источник в качестве контрольного излучателя, производят стабилизацию измерительного тракта по этому контрольному излучателю, запоминают значение полученного сигнала коррекции U_к и фиксируют состояние исполнительного механизма системы стабилизации, разрывают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство и удаляют контрольный излучатель, на позицию измерения подают анализируемую пробу, а в детектор вводят репер, световой или от изотопного источника, получают новый сигнал коррекции окна стабилизации или сам реперный пик перемещают таким образом, чтобы сигнал коррекции принял значение, равное полученному при стабилизации по контрольному излучателю U_к, и включают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство для стабилизации спектрометра.