ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01T1/40 G01T1/208 

Данное изобретение относится к детектору, предназначенному для измерения ионизирующего излучения, предпочтительно γ-излучения и рентгеновского излучения, содержащему сцинтиллятор, излучающий свет, когда происходит частичное поглощение излучения, и детектор света, предпочтительно фотокатод с фотоумножителем, оптически связанный с ним, детектор света стабилизирован с использованием предварительно заданного источника света, предпочтительно светодиода (LED, СД), причем длительность и/или форма импульсов света источника света отличаются от длительности и/или формы импульсов света, излучаемых сцинтиллятором после поглощения излучения, и электронную систему, стабилизирующую весь детектор.

Для повышения точности измерения детекторов излучения необходимо либо корректировать измеренные данные после проведения измерений, или стабилизировать детектор во время фактического измерения. В частности, в портативных устройствах идентификации радиоизотопов (RID, УИР) и в порталах для мониторинга излучения (RPM, ПМИ), которые применяют в области обеспечения обороноспособности, было бы предпочтительно стабилизировать детектор во время измерений, поскольку это позволяет обеспечить быструю и точную оценку данных людьми, не имеющими образования в области ядерной физики. Например, RID в основном используются в полиции или на таможне, где не доступно оборудование для коррекции данных после окончания измерений, и отсутствует персонал с необходимым образованием. Кроме того, что, возможно, важнее всего, измерения в такой среде должны обеспечивать быстрый и точный результат.

RID, применяемые в области обеспечения обороноспособности, в основном основаны на γ-спектрометрах со сцинтилляционными детекторами. Такие системы должны выдерживать широкий диапазон рабочих условий, в частности окружающую температуру, скорость подсчета детектора и энергию γ-лучей поля излучения. Поэтому эффективная стабилизация детектора является существенной для поддержания калибровки по энергии и разрешающей способности, когда происходят сильные и существенные изменения окружающих условий.

В предшествующем уровне техники известна стабилизация детектора света путем подачи света светодиода в детектор света и отделения получаемых сигналов от сигналов, индуцируемых ядерным излучением. Сдвиг импульсов, индуцированных светом в детекторе света, затем представляет собой средство коррекции температурного дрейфа детектора света. Также известна стабилизация сцинтиллятора путем анализа формы импульса выходных сигналов сцинтилляции.

Используя методики, известные в предшествующем уровне техники, можно стабилизировать детектор излучения, а именно RID, при сдвиге более чем на 2% при изменении окружающих условий, как описано выше.

Цель настоящего изобретения состоит в улучшении этих систем таким образом, чтобы стабилизация детектора сцинтилляции была лучше чем 2%, предпочтительно лучше чем 1%. Другая цель изобретения состоит в создании детектора, предпочтительно портативного типа, в котором возможно обеспечить стабилизацию во время фактического измерения. Также цель настоящего изобретения состоит в создании детектора, в котором параметры стабилизации могут быть установлены с учетом фактических условий окружающей среды.

В соответствии с изобретением предусмотрен детектор для измерения ионизирующего излучения, предпочтительно γ-излучения и рентгеновского излучения, содержащий: сцинтиллятор, излучающий свет, когда происходит по меньшей мере частичное поглощение излучения и детектор света, предпочтительно фотокатод с фотоумножителем, оптически связанный с ним, детектор света стабилизирован с использованием предварительно заданного источника света, предпочтительно светодиода (СД), где длительность и/или форма импульсов света источника света отличаются от длительности и/или формы импульсов света, излучаемых сцинтиллятором после поглощения излучения, и электронную систему, стабилизирующую весь детектор. Такой детектор стабилизирован с использованием следующих этапов способа: выходные сигналы детектора преобразуют в цифровую форму, выделяют энергию, то есть, амплитуду импульса и ширину импульса для каждого одиночного сигнала, отделяют импульсы, индуцированные источником света, от всех других импульсов на основе ширины этих импульсов, накапливают сигналы, индуцированные источником света, стабилизируют детектор света путем коррекции сдвига его усиления, используя сдвиг накопленных импульсов, индуцированных источником света, отделяют импульсы, индуцированные излучением, от всех других импульсов на основе ширины их импульсов, стабилизируют импульсы, индуцированные излучением, путем применения стабилизации детектора света, полученной по импульсам, индуцированным источником света, накапливают сигналы, индуцированные излучением, получают температуру детектора во время измерения, используя ширину импульса накопленных импульсов, индуцированных излучением, и стабилизируют детектор путем дополнительной коррекции измеренного выходного светового сигнала, то есть амплитуды импульса выходных сигналов детектора, причем сдвиг температуры детектора зависит от средней ширины импульса накопленных γ-импульсов.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения импульсы, индуцированные источником света, накапливают в течение предварительно заданного периода времени, предпочтительно от 1 с до 60 с, в частности, предпочтительно от 2 с до 10 с и еще более предпочтительно приблизительно 5 с. Накопленные импульсы используют для определения параметров стабилизации детектора света, по меньшей мере, для одного предварительно определенного периода времени после определения параметров стабилизации. Одновременно с этим импульсы, индуцированные источником света, накапливают в течение предварительно заданного периода времени. Было доказано, что проявляется определенное преимущество, когда определение параметров стабилизации детектора света обрабатывают, по меньшей мере, частично, параллельно с накоплением новых импульсов, индуцированных источником света, и еще более предпочтительно, когда упомянутую параллельную обработку выполняют с использованием дополнительного средства обработки, предпочтительно сопроцессора, обеспечивающего параллельную фильтрацию, обработку и накопление без использования существенного дополнительного времени.

В другом предпочтительном варианте воплощения изобретения импульсы, индуцированные излучением, накапливают в течение предварительно заданного периода времени, предпочтительно от 1 с до 60 с, в частности предпочтительно от 2 с до 10 с и еще более предпочтительно приблизительно 5 с. Эти накапливаемые импульсы используют для определения параметров стабилизации сцинтиллятора, по меньшей мере, для одного предварительно заданного периода времени после определения параметров стабилизации. Новые импульсы, индуцированные излучением, также накапливают в течение предварительно заданного периода времени. Упомянутое определение параметров стабилизации сцинтиллятора, предпочтительно обрабатывают, по меньшей мере, частично, параллельно с накоплением новых импульсов, индуцированных излучением, в то время как еще более предпочтительно, когда это выполняется с использованием дополнительного средства обработки, предпочтительно сопроцессора, которое обеспечивает возможность параллельной фильтрации, обработки и накопления без существенных затрат дополнительного времени.

Дополнительный вариант воплощения изобретения представляет собой часть настоящего изобретения, в котором установленный диапазон ширины импульса для импульсов, индуцированных излучением, используется для разделения импульсов, индуцированных излучением, по которым выполняется измерение от других импульсов, устанавливается динамически во время измерений на основе измеренных параметров детектора. Установленный диапазон ширины импульсов предпочтительно определяют динамически, по меньшей мере, по одному из таких параметров, как скорость подсчета, температура детектора, энергетический спектр накладывающихся сигналов, скорость подсчета накладывающихся сигналов, энергетический спектр сигналов шумов или скорость подсчета сигналов шумов.

В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения, уровень переключения детектора, ниже которого детектируют измеряемые импульсы, устанавливается динамически во время измерений на основе одного или больше измеренных параметров, таких как скорость подсчета, энергетический спектр накладывающихся сигналов, скорость подсчета накладывающихся сигналов, энергетический спектр сигналов шумов или скорость подсчета сигналов шумов.

Преимущественно, когда детектор в соответствии с изобретением обеспечивает то, что установленный диапазон ширины импульсов для импульсов, индуцированных источником света, используемых для коррекции сдвига усиления детектора света, устанавливается динамически во время измерения на основе измеренных параметров предпочтительно на основе измеренной температуры светодиода.

Дополнительное преимущество достигается, когда источник света детектора установлен в положении внутри детектора таким образом, что свет, излучаемый из сцинтиллятора, и свет, излучаемый из источника света, сопряжен с детектором света в основном в разных местах. Предпочтительно такое положение обеспечивает возможность пропускания света, излучаемого источником света, по меньшей мере частично, через внутреннюю часть фотоумножителя, включая стеклянные стенки фотоумножителя, на фотокатод. Конкретные преимущества могут быть достигнуты, когда источник света установлен в задней части детектора, что обеспечивает лучшую возможность технического обслуживания источника света.

Конкретный вариант воплощения изобретения описан на основе следующих чертежей.

Фиг.1 представляет общую схему RID, содержащую кристалл сцинтиллятора, трубку фотоумножителя и светодиод,

фиг.2a и b представляет типичные выходные сигналы для импульсов, индуцированных светодиодом, и импульсов, индуцированных излучением,

фиг.3 представляет типичные свойства кристалла сцинтилляции NaI (Tl),

фиг.4a и b представляют влияние формы сигнала на выходные сигналы после цифровой фильтрации,

фиг.5 представляет измеренный спектр ширины импульса,

фиг.6 представляет двумерный спектр с параметрами ширина импульса и энергия,

фиг.7 представляет стабилизацию, при применении ΔT 80 K.

На фиг.1 можно видеть основные элементы RID (без электронных частей), то есть сцинтилляционный кристалл 100 NaI (Tl), фотоумножитель 150 с фотокатодом 160, прикрепленным к нему, используемым как детектор света, а также гнездо 170, в котором установлен светодиод 180.

γ-излучение 110 поступает в сцинтилляционный кристалл 100 и поглощается в сцинтилляционном кристалле. Возбужденное состояние 120, следующее после поглощения ядерного излучения, затухает с эмиссией света 130. Свет 130 затем направляется на фотокатод 160, который вследствие поглощения света излучает электроны. Полученный электрический сигнал усиливают с помощью фотоумножителя 150 и затем передают в электронную схему детектора.

Одновременно с этим, светодиод 180 установлен в гнезде 170 фотоумножителя 150. Светодиод излучает свет 190, который проходит через фотоумножитель 150 и в конечном итоге поглощается фотокатодом 160.

Установка светодиода в гнезде фотоумножителя, то есть одновременно с этим в гнезде всего детектора, представляет собой большое преимущество, состоящее в том, что свет светодиода направляется на фотокатод 160, без необходимости прохода через сцинтиллятор 100. Поэтому исключаются проблемы, которые возникают при обычном сопряжении света светодиода 180 с сцинтиллятором 100. Одновременно с этим установка светодиода в гнезде детектора обеспечивает очень простое техническое обслуживание светодиода, поскольку светодиод 180 может быть отсоединен вместе с гнездом 170. Поэтому светодиод можно заменять без необходимости открывать весь детектор, всего лишь путем демонтажа гнезда.

Выходные сигналы электронного фотоумножителя (сигналы тока) показаны на фиг.2a и 2b. На фиг.2a показаны выходные сигналы 210 фотокатода 160, индуцированные светодиодом после поглощения света 190, излучаемого светодиодом 180. Поскольку светодиод 180 предпочтительно работает в импульсном режиме, эти сигналы следуют очень регулярно и имеют в основном прямоугольную форму. Такая прямоугольная форма сигналов 210 светодиодов получается благодаря тому, что светодиод можно очень быстро включать и выключать.

На фиг.2b показаны сигналы, получающиеся в результате поглощения γ-сигналов 110 в сцинтилляторе 100. Эти сигналы возникают статистически, то есть с существенной нерегулярностью. Кроме того, амплитуда сигнала изменяется, и в конечном итоге сигналы 230 проявляют экспоненциальное, а не линейное затухание. Такое экспоненциальное затухание возникает в результате экспоненциального затухания возмущенных состояний в сцинтилляционном кристалле 100.

Для стабилизации детектора в соответствии с данным изобретением сигналы, индуцированные γ-излучением, и сигналы, индуцированные светодиодом, должны быть разделены друг от друга. Кроме того, необходимо исключить влияние температуры при изменении температуры сцинтилляционного кристалла.

С этой целью измеренные сигналы на первом этапе преобразуют в цифровую форму. Такое преобразование в цифровую форму обеспечивает возможность не только определять амплитуду импульсов, которая представляет собой меру энергии поглощенного излучения, но также и ширину, и другие параметры формы импульса измеренного сигнала. Поэтому анализ цифрового сигнала имеет существенные преимущества по сравнению с оценкой, выполняемой с использованием стандартных аналоговых электронных средств.

На фиг.3 представлен выходной результат измерения света LO(T) и измеренное время τ(T) затухания сцинтиллятора для сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) как функция его температуры.

Линией 310 схематично представлен измеренный относительный выходной сигнал LO(T) света сцинтиллятора как функция его температуры T. Также можно видеть, что выход света увеличивается в диапазоне от -30°C до +30°C, в то время как выход света снова уменьшается при дальнейшем повышении температуры. На шкале с левой стороны фиг.3 обозначен относительный выход света в процентах. Можно видеть, что вариации измеренного относительного выхода света LO(T) составляют приблизительно до 15%. Такая вариация является неприемлемой для стандартных RID.

Линия 350 схематично представляет измеренное время τ(T) затухания сцинтиллятора в наносекундах (нс) как функцию температуры T. Шкала для времени затухания сцинтиллятора в нс представлена с правой стороны по фиг.3. Из результатов этого измерения следует, что время τ(T) затухания сцинтиллятора уменьшается при увеличении температуры T, охватывая широкий диапазон от приблизительно 650 нс до 150 нс, в пределах соответствующего диапазона температур.

В детекторе в соответствии с настоящим изобретением используется эта вариация времени затухания сцинтиллятора, поскольку τ(T) представляет собой монотонную функцию в представляющем интерес диапазоне температур, поэтому обеспечивается воспроизводимая функциональная взаимозависимость между температурой и временем затухания.

На фиг.4a и 4b показаны эффекты различных входных сигналов.

На фиг.4a с левой стороны представлен сигнал 410, индуцированный излучением, с типичным резко возрастающим передним фронтом, после чего немедленно следует экспоненциально затухающий задний фронт. Пунктирной линией 420 показан другой сигнал, индуцированных γ-излучением, при этом этот второй сигнал 420 имеет большее время затухания, что означает, что температура сцинтилляционного кристалла была ниже во время измерений.

После применения фильтра 450 в результате получают выходные сигналы 415 и 425. Можно видеть, что из исходного сигнала 420 с большим временем затухания получают импульс большей ширины по сравнению с исходным сигналом 410.

Следует отметить, что в описанном здесь варианте воплощения изобретения фактическую ширину импульса измеряют и используют как параметр. Однако вместо этого можно использовать другие параметры формы импульса, например время нарастания сигнала, или даже их комбинацию. Поэтому следует понимать, что в рамках настоящего изобретения ширина импульса означает любой параметр формы импульса, на который влияет температура сцинтиллятора.

Следует отметить, что для настоящего изобретения не имеет значения, будут ли выходные сигналы фотоумножителя вначале преобразованы в цифровую форму, и таким образом фильтр 450 будет представлять собой цифровой фильтр, или выходные сигналы фотоумножителя будут переданы через аналоговый фильтр 450, и после этого цифровая выборка будет осуществляться только после прохода через такой фильтр. Эти эффекты, схематично показанные на фиг.4a и 4b, являются одинаковыми.

На фиг.4b представлено то же самое для сигналов 470, индуцированных светодиодом. Представленный сигнал 470 светодиода представляет собой по сравнению с сигналами γ-излучения очень широкий импульс, получающийся в очень широком монополярном выходном сигнале 475 после применения фильтра 450.

Поскольку цифровая обработка сигналов обеспечивает возможность анализа как амплитуды, так и формы импульса сигнала, возможно вначале разделять импульсы 475, индуцированные светодиодом, от импульсов 415 и 425, индуцированных излучением.

С этой целью ширина и амплитуда импульса сигналов 470 светодиодов, должна быть определена путем установки генератора импульсов светодиода таким образом, чтобы ширина импульса, полученного после фильтра сигнала 475, находилась за пределами диапазона сигналов 415 и 425, индуцированных излучением, в спектре ширины импульса. Разделение сигналов, индуцированных светодиодом, от сигналов, индуцированных излучением, затем основано только на анализе ширины импульса, а именно путем установки окна ширины импульса для спектра, получающегося в результате воздействия светодиода.

Одновременно с этим ширина импульса оставшихся сигналов обеспечивает возможность определения температуры кристалла сцинтилляции. Когда известна температура или, по меньшей мере, параметр, связанный с температурой сцинтилляционного кристалла, детектор может быть стабилизирован путем коррекции эффекта, индуцированного в температуре сцинтилляции.

На фиг.5 показаны два измеренных спектра 500 и 505 ширины импульса. Здесь показана скорость подсчета в зависимости от измеренной ширины импульса сигнала. Эти два спектра представляют результаты для высокой скорости подсчета (спектр 500) и намного меньшей скорости подсчета (спектр 505).

Импульсы 510, индуцированные излучением, можно явно отделить от импульсов 550, индуцированных светом. Поэтому выделение импульсов, находящихся в пределах окна 530, в действительности не приводит к выделению импульсов, индуцированных излучением, в то время как ограничение другим окном 560 приводят к выделению импульсов, индуцированных светодиодом.

На фиг.6 можно видеть двумерный спектр. Более конкретно амплитуда измеренных сигналов представлена на оси x, ширина w импульса этих сигналов представлена на оси у. Ось z представлена концентрацией точек в спектре, при этом каждая точка обозначает измеренное значение и образует серую шкалу в местах, где множество точек накладываются друг на друга.

Толстой темной линией 610 в центре спектра обозначены импульсы, индуцированные излучением. Явно отделены от них импульсы 630, индуцированные светодиодом, которые более или менее формируют пятно в пределах спектра.

Поскольку амплитуда импульсов, индуцированных светодиодом, представляют собой функцию используемой интенсивности света, и ширина w импульсов, индуцированных светодиодом, представляет собой функцию длительности импульсов светодиодов, становится понятным, что положение пятна 630 светодиода в этом спектре можно практически свободно выбирать, поэтому возможно регулировать стабилизацию светодиода в каждом отдельном детекторе с определенной целью (слабое или низкое излучение, излучение с большой или малой энергией, высокая или низкая скорость подсчета) путем модификации параметров импульса светодиода. Таким образом можно вынести сигналы светодиода за пределы спектра большинства измеренных сигналов, в результате чего стабилизация детектора света с помощью импульсов светодиода вообще не будет нарушаться измеряемыми импульсами.

Область 650 над импульсами 610, индуцированными излучением, представляет импульсы, имеющие большую ширину импульса. Эти импульсы в основном получаются в результате эффекта наложения. Наложение возникает, когда вторые импульсы, индуцированные излучением, начинаются до полного затухания первых импульсов, индуцированных излучением. Эффект наложения представляет собой серьезную проблему в области больших уровней излучения.

Ниже центральной γ-линии 610 можно видеть другую область, которая состоит из импульсов 640 шумов.

На фиг.6 можно видеть, что обработка сигналов в описанном детекторе не только обеспечивает возможность стабилизации детектора, но также устраняет эффект влияния температуры, а также обеспечивает очень эффективное подавление влияния наложения и шумов.

Фактическая стабилизация детектора описана ниже. Прежде всего, измеряют импульсы, индуцированные излучением, получая выходной сигнал, который фильтруют, как описано выше. Одновременно с этим используют импульсный светодиод таким образом, чтобы ширина импульса сигналов, индуцированных светом, измеряемая детектором света, существенно отличалась от ширины импульса сигналов, индуцированных излучением. Кроме того, предпочтительно, чтобы "энергия" сигналов, индуцированных светодиодом, то есть амплитуда их импульсов, существенно отличалась от "энергии" (амплитуды импульсов) сигналов наложения и шумов, представленных в двумерном спектре на фиг.6.

Обрабатывают только сигналы с амплитудой импульсов, превышающей предварительно заданное пороговое значение триггера. Такое пороговое значение устанавливают для подавления очень малых сигналов, обычно возникающих из-за воздействия шумов. Такое пороговое значение триггера определяет наименьшую энергию, измеряемую с помощью детектора.

После пропуска через пороговое значение триггера, сигналы дополнительно оценивают путем (цифрового) определения ширины их импульса и амплитуды. Одновременно с этим, спектр P ширины импульса последовательно увеличивают с каждым импульсом.

Затем сигнал классифицируют. Если ширина импульса сигнала, подлежащего оценке, находится в пределах окна, установленного для импульсов, индуцированных излучением, предполагается, что этот сигнал получился в результате излучения света, возникшего в результате поглощения импульса излучения. В случае, когда ширина импульса и, в конечном итоге, амплитуда сигнала попадает в окно, установленное для импульсов светодиода, этот сигнал классифицируют как сигнал, индуцированный светодиодом. В конечном итоге, если оцениваемый сигнал находится за пределами, как окна, индуцированного излучением, так и окна, индуцированного светодиодом, его классифицируют как ненужную информацию и удаляют.

В случае необходимости, события шумов и/или наложения можно классифицировать с применением отдельных окон и использовать для динамической регулировки параметров системы, таких как пороговое значение триггера или ширина окна ширины импульса, для идентификации событий гамма-излучения.

Кроме того, ширина окна, установленная для выделения импульсов, индуцированных излучением, также может быть установлена динамически, например, как функция измеренной скорости подсчета. Когда с помощью детектора определяют высокую скорость подсчета, ширина может быть сужена, поскольку все еще достаточное количество импульсов будет доступно для быстрой оценки. Такое сужение позволяет дополнительно улучшить измеряемые сигналы и, в частности, улучшить подавление наложения, обеспечивая таким образом возможность использования детектора в полях с высоким уровнем излучения, где требуется бороться с большой скоростью подсчета.

В результате, по меньшей мере, энергетический спектр и спектр светодиода (в случае необходимости, также спектры шумов и/или наложения) последовательно увеличивают соответствующими сигналами, в то время как другие сигналы снова удаляют до оценки следующего сигнала.

Спектр ширины импульсов, получаемый в результате суммирования всех импульсов, и спектр светодиода, получаемый в результате суммирования импульсов, индуцированных светодиодом, в случае необходимости спектры, получаемые из импульсов шумов или импульсов наложения, суммируют в течение предварительно заданного времени. Предварительно заданное время может быть установлено с учетом конкретных проводимых измерений. Быстрые изменения температуры требуют исключительно короткого времени, в то время как постоянные условия обеспечивают возможность использования более длительных периодов времени. Одновременно с этим, высокая скорость подсчета позволяет использовать короткие интервалы времени, очень низкая скорость подсчета требует большего времени. Эксперименты показали, что предварительно заданного времени от одной секунды до одной минуты достаточно для большинства целей, предварительно заданное время 5 секунд обеспечивает наилучший компромисс между достаточной статистикой и высокой точностью. Возможно даже обеспечить ручную или автоматическую модификацию этого заданного времени. Например, это время может быть установлено на основе фактически измеренной скорости подсчета.

После истечения предварительно заданного периода времени оценивают накопленные спектры, как для импульсов, индуцированных светодиодом, так и для импульсов, индуцированных излучением, и, в случае необходимости, спектры, полученные для шумов или импульсов наложения.

Положение пика светодиода в спектре светодиода сопоставляют с предварительно заданным положением пика для этого конкретного детектора. Результат такого сравнения между измеренным положением пика светодиода с предварительно заданным положением пика представляет собой коэффициент стабилизации светодиода, обеспечивающий возможность стабилизации детектора света.

Одновременно с этим оценивают положение пика импульсов, индуцированных излучением, в спектре ширины импульса. Это положение представляет собой меру температуры детектора. Предварительно заданная функция стабилизации, например полином или справочная таблица с упомянутым положением пика, как параметр, сохраненный в детекторе, обеспечивает стабилизацию детектора в отношении температуры сцинтилляционного кристалла и другого влияния температуры.

Как коэффициент калибровки светодиода, так и коэффициент калибровки температуры, применяют к амплитуде измеренных импульсов, индуцированных излучением, в результате чего стабилизируют измеренный спектр энергии. Для того чтобы дополнительно улучшить долговременную стабилизацию, возможно стабилизировать спектр энергии с использованием дополнительного коэффициента долговременной стабилизации. Такой коэффициент долговременной стабилизации позволяет компенсировать процесс старения светодиода или электронных элементов, или другие долговременные эффекты, которые можно наблюдать в детекторе.

Поскольку сигналы преобразуют в цифровую форму, возможно определять коэффициенты стабилизации для истекшего периода времени параллельно с измерением сигналов в следующий период времени. Как только будет установлен новый набор коэффициентов стабилизации, старые коэффициенты стабилизации заменяют новыми коэффициентами стабилизации. В результате становится возможным динамически стабилизировать весь детектор, используя очень короткие временные интервалы для определения коэффициентов стабилизации. В результате обеспечивается очень высокая точность стабилизации, даже если происходят быстрые изменения температуры, как можно видеть на фиг.7.

В верхней части фиг.7 показаны измеренные положения 700 пика калибровочного импульса 662 кэВ. Во время измерения температура T изменялась в широком диапазоне, а именно, от -20°C до +60°C. Изменение температуры показано как функция 750 прошедшего времени в нижней части изображения. Положение γ-пика задано в относительных значениях (канала), по шкале, которую можно видеть с левой стороны спектра. С правой стороны спектра представлена температура в °C, относящаяся к шкале температуры в нижней части спектра.

Результаты измерений показывают, что стабилизация детектора обеспечивает возможность достижения точности приблизительно 1%, даже при очень быстрых изменения температуры. Такая точность стабилизации детектора порядка 1% более чем вдвое превышает стабилизацию любого детектора, известного в данной области техники.

Поскольку настоящий детектор обеспечивает возможность стабилизации фотоумножителя на основе совершенно отдельного спектра светодиода, полученный в результате γ-спектр будет полностью свободен от любых импульсов калибровки/стабилизации. Это обеспечивает возможность достижения более высокой чувствительности по сравнению со стандартными детекторами, которые требуется стабилизировать, используя (слабый) источник γ-излучения, который обязательно составляет часть оцениваемого спектра. В отличие от стандартных детекторов RID, доступных в предшествующем уровне техники, одновременно не требуется использовать радиоактивный источник калибровки.

Дополнительные преимущества детектора в соответствии с данным изобретением, в частности описанного выше детектора, состоят в отличном подавлении наложения даже при высоких скоростях подсчета одновременно с чрезвычайно точным подавлением шумов. Такое подавление обеспечивает возможность использования более низкого порогового значения энергии, а именно 15 кэВ, вместо 25 кэВ в детекторах предшествующего уровня техники.

Поскольку данный детектор обеспечивает очень эффективное подавление наложения, такой детектор обеспечивает возможность выдерживать чрезвычайно высокие скорости подсчета и одновременно обеспечивает отличную разрешающую способность энергии. Это является не только следствием быстрой цифровой обработки сигналов, но также и улучшенного подавления наложения и исключения эффектов, получающихся в результате вариаций усиления из-за изменяющейся скорости подсчета.

Возможность надлежащим образом обрабатывать высокую скорость подсчета позволяет, кроме того, применять очень короткие циклы измерения в полях сильного излучения для идентификации нуклидов, уменьшая, таким образом, экспозицию излучению оператора. Благодаря отличной стабильности, улучшенной возможности работы при высоких скоростях подсчета и одновременно более низкому пороговому значению можно идентифицировать как очень слабое, так и очень интенсивное излучение с использованием одного и того же детектора.

При подсчете эталонных сигналов светодиода, количество которых известно по информации импульсов, также возможно обеспечить очень точную информацию коррекции времени нечувствительности, которую можно использовать при количественном анализе во всех областях излучения.

Поскольку для стабилизации детектора требуются только сигналы излучения, которые измеряются в любом случае, и сигналы от светодиода, нет необходимости использовать радиоактивный (внутренний или внешний) источник для калибровки детектора в начале измерения. Это обеспечивает возможность очень быстрого начала измерения, поскольку экономится время на первоначальную калибровку. Поскольку такая внутренняя стабилизация, в которой используется светодиод и сигналы, индуцированные только излучением, может работать также в очень интенсивных полях излучения, такое очень быстрое начало работы детектора может быть очень важным, в частности в аварийных ситуациях.

Одновременно с этим административные проблемы, связанные с такими RID, в значительной степени ограничены, поскольку здесь не используются какие-либо радиоактивные источники для калибровки. Поэтому нет необходимости получения специальных разрешений на транспортировку детектора. Кроме того, производство и удаление радиоактивного материала может быть исключено, поскольку не требуется использовать радиоактивные источники для стабилизации этого детектора. Это оказывает положительное влияние также на окружающую среду.

Благодаря очень хорошей чувствительности, описанный детектор позволяет определять и находить очень слабые источники излучения, то есть радиоактивность окружающей среды, и одновременно указанный детектор можно использовать очень экономно и очень просто, также не специалистами, можно изготавливать в достаточно надежной форме, это позволяет обеспечить мобильные измерения с целью защиты окружающей среды, исключая, таким образом, сложный лабораторный анализ после сбора образцов. Это, например, также обеспечивает возможность оценки продуктов питания без сложного и требующего значительного времени лабораторного анализа. Наконец, новый детектор очень легко можно использовать в школах и университетах, поскольку исключаются проблемы, связанные с радиоактивными источниками для калибровки.

Изобретение относится к детектору, предназначенному для измерения ионизирующего излучения, предпочтительно γ-излучения и рентгеновского излучения, содержащий сцинтиллятор и детектор света, детектор света стабилизирован благодаря использованию предварительно заданного источника света, предпочтительно светодиода (СД), где длительность и/или форма световых импульсов источника света отличаются от длительности и/или формы световых импульсов, излучаемых сцинтиллятором. Импульсы, индуцированные источником света, и импульсы, индуцированные излучением, отделяют от всех других импульсов на основе ширины их импульса. Детектор дополнительно стабилизирован путем коррекции выхода измеряемого света, то есть амплитуды импульсов выходных сигналов, причем сдвиг температуры детектора зависит от средней ширины импульса накладывающихся γ-импульсов. Технический результат - стабилизация детектора с большей эффективностью, установление параметров стабилизации с учетом фактических условий окружающей среды. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Детектор для измерения ионизирующего излучения, предпочтительно, γ-излучения и рентгеновского излучения, содержащий сцинтиллятор, излучающий свет, когда происходит, по меньшей мере, частичное поглощение излучения, и детектор света, предпочтительно, фотокатод с фотоумножителем, оптически связанный с ним, детектор света стабилизирован с использованием предварительно заданного источника света, предпочтительно светодиода (СД), где длительность и/или форма импульсов света источника света отличаются от длительности и/или формы импульсов света, излучаемых сцинтиллятором после поглощения излучения, и электронную систему, стабилизирующую весь детектор, где для стабилизации всего детектора используются следующие этапы способа:
выходные сигналы детектора преобразуют в цифровую форму,
выделяют энергию, то есть, амплитуду импульса, и ширину импульса для каждого одиночного сигнала,
отделяют импульсы, индуцированные источником света, от всех других импульсов на основе ширины этих импульсов,
накапливают сигналы, индуцированные источником света для предварительно заданного периода времени,
стабилизируют детектор света путем коррекции сдвига его усиления,
используя сдвиг накопленных импульсов, индуцированных источником света,
отделяют импульсы, индуцированные излучением, от всех других импульсов, на основе ширины их импульсов,
стабилизируют импульсы, индуцированные излучением, путем применения стабилизации детектора света, полученной по импульсам,
индуцированным источником света,
накапливают сигналы, индуцированные излучением для предварительно заданного периода времени,
получают температуру детектора во время измерения, используя ширину импульса накопленных импульсов, индуцированных излучением,
стабилизируют детектор путем дополнительной коррекции измеренного выходного светового сигнала, то есть амплитуды импульса выходных сигналов детектора, причем сдвиг температуры детектора зависит от средней ширины импульса накопленных γ-импульсов, посредством чего определяют параметры стабилизации за истекшее время параллельно с измерением сигналов для следующего периода времени.

2. Детектор по п.1, в котором импульсы, индуцированные источником света, накапливают в течение предварительно заданного периода времени, предпочтительно, от 1 до 60 с, в частности, предпочтительно, от 2 до 10 с и еще более предпочтительно, приблизительно 5 с, и где накопленные импульсы используют для определения параметров стабилизации детектора света, по меньшей мере, для одного предварительно заданного периода времени после определения параметров стабилизации, и где новые импульсы, индуцированные источником света, накапливают в течение предварительно заданного периода времени.

3. Детектор по п.2 с дополнительным средством обработки, предпочтительно, сопроцессор, который обеспечивает возможность параллельной фильтрации, обработки и накопления, без существенных дополнительных затрат времени.

4. Детектор по п.1, в котором импульсы, индуцированные излучением, накапливают в течение предварительно заданного периода времени, предпочтительно, от 1 до 60 с, в частности, предпочтительно, от 2 до 10 с, и еще более предпочтительно, в течение приблизительно 5 с, и в котором накопленные импульсы используют для определения параметров стабилизации сцинтиллятора, по меньшей мере, для одного предварительно заданного периода времени, после определения параметров стабилизации, и в котором новые импульсы, индуцированные излучением, накапливают в течение предварительно заданного периода времени.

5. Детектор по п.4, в котором определение параметров стабилизации сцинтиллятора обрабатывают, по меньшей мере, частично параллельно накоплению новых импульсов, индуцированных излучением.

6. Детектор по п.5 с дополнительным средством обработки, предпочтительно, сопроцессором, который обеспечивает возможность параллельной фильтрации, обработки и накопления, без существенных затрат дополнительного времени.

7. Детектор по п.1, в котором установленный диапазон ширины импульсов для импульсов, индуцированных излучением, используемый для отделения импульсов, индуцированных излучением, предназначенных для измерения, от других импульсов, устанавливают динамически во время измерения на основе измеренных параметров.

8. Детектор по п.7, в котором установленный диапазон ширины импульсов определяют динамически, по меньшей мере, по одному из следующих параметров:
скорость подсчета,
температура детектора,
спектр энергии накладывающихся сигналов,
скорость подсчета накладывающихся сигналов,
спектр энергии шумовых сигналов,
скорость подсчета шумовых сигналов.

9. Детектор по п.1, в котором уровень триггера, ниже которого измеряемые импульсы удаляют, устанавливают динамически во время измерений на основе одного или больше из следующих измеренных параметров:
скорость подсчета,
спектр энергии накладывающихся сигналов,
скорость подсчета накладывающихся сигналов,
спектр энергии шумовых сигналов,
скорость подсчета шумовых сигналов.

10. Детектор по п.1, в котором установленный диапазон ширины импульсов, индуцированных источником света, используемый для коррекции сдвига усиления детектора света, устанавливают динамически во время измерения на основе измеряемых параметров, предпочтительно, на основе измеряемой температуры светодиода.

11. Детектор по п.1, в котором источник света установлен в положении внутри детектора таким образом, что свет, излучаемый из сцинтиллятора, и свет, излучаемый источником света, сопряжен с детектором света, в основном, в разных местах.

12. Детектор по п.11, в котором источник света установлен в положении, которое позволяет свету, излучаемому источником света, проходить, по меньшей мере, частично через внутреннюю часть фотоумножителя, включая проход через стеклянные стенки фотоумножителя на фотокатод.

13. Детектор по п.11, в котором источник света установлен в задней части детектора, что обеспечивает возможность лучшего технического обслуживания источника света.