СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО РЕПЕРНОМУ ПИКУ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/40 G01T1/208 

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике и радиационному приборостроению и может быть использовано в радиометрической и спектрометрической аппаратуре, а также в радиационных приборах контроля различных технологических параметров с применением сцинтилляционных счетных и спектрометрических блоков детектирования.

Известен ряд способов стабилизации спектрометрического тракта, в которых используют информацию, получаемую от дополнительных реперных (опорных) радиоактивных или световых излучателей, причем предпочтение отдается первым, поскольку в них регулирующей обратной связью охвачен как детектор, так и усилительный тракт блока детектирования [1] Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа., М., Атомиздат, 1976, с. 172.

Эти известные способы имеют следующие недостатки:
во-первых, при работе с дополнительным реперным радиоактивным или световым излучателем не обеспечивается высокая стабильность и надежность при значительном изменении интенсивности измеряемого излучения, так как высота реперного пика на спектральном распределении остается постоянной, а остальная часть распределения, в том числе "подкладка" под реперным пиком изменяется пропорционально интенсивности измеряемого излучения. При значительных загрузках эта "подкладка" может во много раз превосходить высоту реперного пика, что снижает надежность стабилизации;
во-вторых, наличие дополнительного реперного радиоактивного или светового излучателя усложняет конструкцию, снижает надежность и повышает стоимость блока детектирования.

В качестве прототипа выбран способ, наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и свободный от указанных выше недостатков, в котором для стабилизации в качестве реперного источника используют пик измеряемого излучения, с помощью дифференциальных амплитудных анализаторов формируют два окна стабилизации, симметрично расположенных на склонах реперного пика, а затем на схеме сравнения сравнивают скорости счета в окнах стабилизации для получения сигнала рассогласования и формируют управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта [2] Цитович А.П. Ядерная электроника. М., Энергоатомиздат, 1984, с.47.

Однако этот способ имеет свой недостаток. А именно стабилизация без дополнительного реперного источника (по измеряемому внешнему излучению) возможна только при наличии в спектральном распределении достаточно четко выраженного отдельно расположенного пика. Уже в случае с несколькими пиками стабилизация затруднена из-за необходимости распознавания конкретного пика. При использовании спектрометрического тракта для стабилизации чувствительности в сцинтилляционных счетных блоках детектирования, в которых рабочий порог дискриминации расположен в начале энергетического спектра (несколько кэВ), стабилизация по пику измеряемого излучения затруднена, так как он, как правило, расположен в области нескольких сотен кэВ, то есть значительно правее амплитуды насыщения усилителя. В случае отсутствия пика в измеряемом излучении, как например, при регистрации естественного или другого непрерывного излучения стабилизация указанным способом вообще невозможна.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого способа, заключается в повышении стабильности и надежности при работе с различными спектральными распределениями и интенсивностями измеряемого излучения, в том числе и при отсутствии пиков в спектре измеряемого излучения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе дифференциальной стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику, заключающемся в регистрации излучения в двух смежных дифференциальных каналах, расположенных на разных склонах реперного пика, сравнении средних частот следования импульсов в первом и втором дифференциальных каналах и в формировании управляющего сигнала коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта по результатам сравнения в качестве реперного источника используют поток характеристического излучения, генерируемого измеряемым (внешним) гамма-излучением в дополнительном экране из материала с фиксированным атомным номером, окружающем непосредственно сцинтилляционный детектор, с толщиной экрана, близкой к толщине насыщения характеристического излучения для этого материала.

Указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата, получаемого при реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ апробирован на счетном сцинтилляционном блоке детектирования БД-1, в котором в качестве реперного источника использовался поток характеристического излучения, генерируемый измеряемым естественным (фоновым) гамма-излучением в свинцовом экране (толщиной 0,8 мм), окружающем боковую поверхность неорганического сцинтилляционного детектора на основе монокристалла NaJ(Tl) диаметром 40 мм и длиной 250 мм.

На чертеже изображен начальный участок спектра в диапазоне до 125 кэВ при отсутствии (1) и при наличии (2) свинцового экрана. Здесь же отмечены пороги дискриминации измеряемого излучения (Ei), а также левого (Е1 и Е2) и правого (Е2 и Е3) дифференциальных каналов спектрометрического тракта. Стабильность ширины дифференциальных каналов и их положения относительно Ei обеспечивалась использованием после усилителя высокостабильного резистивного делителя.

Как видно на чертеже, при наличии экрана (кривая 2) возникает четкий пик характеристического излучения свинца (его энергия около 72 кэВ), который и использовался в качестве реперного пика. Ширины окон левого и правого каналов равны и составляют около 12 кэВ, а порог дискриминации измеряемого излучения Ei - 15 кэВ.

Сигнал коррекции коэффициента передачи спектрометрического тракта по результатам сравнения средних частот следования импульсов в первом и втором дифференциальных каналах поступал на регулируемый высоковольтный преобразователь, изменяя напряжение питания фотоэлектронного умножителя и соответственно его коэффициент усиления.

Импульсы с усилителя поступали, кроме дискриминатора Ei и двух дифференциальных каналов, на амплитудный анализатор, на котором и были сняты энергетические спектры, представленные на чертеже.

Эффективность предлагаемого способа стабилизации проверялась путем определения температурной нестабильности чувствительности блока детектирования в двух режимах: при отключенной (в режиме плато счетной характеристики) и включенной схеме стабилизации.

Блок детектирования был установлен в термокамеру и при температурах +20, -30 и +50^oС определялись нестабильность средней частоты следования импульсов с амплитудой выше порога дискриминации измеряемого (фонового) излучения и (на спектрометре) положение максимума реперного пика.

При отключенной схеме стабилизации на максимальной отрицательной температуре отмечалось смещение положения максимума реперного пика влево в 1,4 раза относительно положения при нормальной температуре, что может быть объяснено уменьшением световыхода детектора. При максимальной положительной температуре максимум реперного пика также сместился влево в 1,1 раза. Что касается чувствительности, она уменьшилась на 3,4% при -30 и на 1,3% при +50^oС.

При включенной схеме стабилизации и при предельных минимальной и максимальной температурах положение максимума реперного пика практически не изменилось (не более 0, 5%). При этом чувствительность уменьшилась на 0,4% при -30^oС и на 0,2% при +50^oС, что подтвердило эффективность предлагаемого способа стабилизации. Аналогичные проверки были проведены и при работе с гамма-излучением от радионуклидных источников цезий - 137 и натрий - 22 при средних частотах следования импульсов(загрузках) до 10000 имп/с. Эти проверки также подтвердили эффективность предлагаемого способа.

Характерно, что на спектральных распределениях во всех этих случаях отношение высоты реперного пика (см. чертеж) к "подкладке" оставалось практически постоянным.

Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное решение является новым, для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области техники, то есть соответствует критериям изобретения.

Использование в радиометрической и спектрометрической аппаратуре. Сущность: в способе при регистрации излучения в двух смежных дифференциальных каналах, расположенных на разных склонах реперного пика, сравнении средних частот следования импульсов в первом и втором дифференциальных каналах и формировании управляющего сигнала коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта по результатам сравнения в качестве реперного источника используется поток характеристического излучения, генерируемый измеряемым гамма-излучением в дополнительном экране из материала с фиксированным атомным номером, окружающем непосредственно сцинтилляционный детектор, с толщиной экрана, близкой к толщине насыщения характеристического излучения для этого материала. Технический результат: повышение стабильности и надежности при работе с различными спектральными распределениями и интенсивностями измеряемого излучения. 1 ил.

Способ дифференциальной стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику, заключающийся в том, что излучение регистрируют в двух смежных дифференциальных каналах, расположенных на разных склонах реперного пика, сравнивают средние частоты следования импульсов в первом и втором дифференциальных каналах и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта, отличающийся тем, что в качестве реперного источника используют поток характеристического излучения, генерируемого измеряемым гамма-излучением в дополнительном экране из материала с фиксированным атомным номером, окружающим непосредственно сцинтилляционный детектор, с толщиной экрана, близкой к толщине насыщения характеристического излучения для этого материала.