ДЕТЕКТОРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01N23/00 

Данное изобретение относится к детекторному модулю для измерения одного или более типов излучения, предпочтительно рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, содержащему блок детектирования, состоящий из сцинтилляционного детектора и фотодетектора, обеспечивающего электронные импульсы, находящиеся в известной связи с интенсивностью света, вырабатываемого сцинтилляционным детектором, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к фотодетектору, где АЦП преобразует аналоговый выходной сигнал фотодетектора в оцифрованный сигнал излучения, и устройство обработки информации, подключенное к АЦП, благодаря чему устройство обработки информации осуществляет способ калибровки, стабилизации и линеаризации оцифрованного сигнала излучения.

Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству анализа для анализа цифровых данных, предпочтительно, обеспечиваемых детекторным модулем. Кроме того, настоящее изобретение относится к детекторной системе для детектирования одного или более типов излучения, предпочтительно γ-излучения, рентгеновского излучения или излучения ядерных частиц, содержащей по меньшей мере один детекторный модуль и устройство анализа.

Детекторные системы, состоящие из детекторного модуля и устройства анализа, хорошо известны в технике. Методы, известные в технике, позволяют обеспечить компактную детекторную систему для измерения ионизирующего излучения.

Однако известные системы обладают тем недостатком, что для наблюдения нескольких разных положений или мест требуется несколько детекторных систем. Использование нескольких детекторных систем, в свою очередь, имеет тот недостаток, что централизованный контроль разных положений невозможен или требует дополнительного технического оборудования.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение детекторной системы, позволяющей централизованно осуществлять надзор или наблюдение нескольких мест с использованием нескольких детекторных систем. Другой задачей изобретения является обеспечение детекторной системы, которая позволяет наблюдать одиночное положение или место с использованием нескольких разных детекторных систем, что позволяет централизованно осуществлять анализ измерения.

Согласно изобретению предусмотрена детекторная система для детектирования одного или более типов излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, содержащая по меньшей мере один детекторный модуль и устройство анализа.

Детекторный модуль для измерения одного или более типов излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, может содержать блок детектирования, состоящий из сцинтилляционного детектора и фотодетектора, обеспечивающего электронные импульсы, находящиеся в известной связи с интенсивностью света, вырабатываемого сцинтилляционным детектором, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к фотодетектору, благодаря чему АЦП преобразует аналоговый выходной сигнал фотодетектора в оцифрованный сигнал излучения, устройство обработки информации, подключенное к АЦП, благодаря чему устройство обработки информации осуществляет способ калибровки, стабилизации и линеаризации оцифрованного сигнала излучения, и сетевой интерфейс связи, благодаря чему устройство обработки информации может передавать калиброванный, стабилизированный и оцифрованный сигнал излучения через сетевой интерфейс связи на устройство анализа.

Таким образом, анализ измерения детекторного модуля можно осуществлять удаленно от детекторного модуля, например централизованно.

В предпочтительном варианте осуществления устройство обработки информации может содержать по меньшей мере один из цифрового сигнального процессора (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемого логического устройства (PLD) и микроконтроллера.

В другом предпочтительном варианте осуществления устройство обработки информации может содержать запоминающее устройство для сохранения оцифрованных, калиброванных, стабилизированных и линеаризованных сигналов излучения. Способ калибровки, стабилизации и линеаризации оцифрованных сигналов излучения может преимущественно содержать этап сохранения калиброванного, стабилизированного линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения в запоминающем устройстве. Сохранение сигналов излучения позволяет предотвратить потерю данных, когда передача данных на устройство анализа прерывается или не действует. После восстановления соединения с устройством анализа сохраненные сигналы можно переносить на устройство анализа.

Этап сохранения калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения и способ передачи калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения можно осуществлять асинхронно. Таким образом, детекторный модуль может принимать сигналы, даже если связь с устройством анализа по меньшей мере временно отсутствует.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения сетевой интерфейс связи может представлять собой по меньшей мере один из беспроводных интерфейсов связи, например WLAN, WiMAX, WiFi или Bluetooth, или проводных интерфейсов связи, например интерфейса Ethernet или интерфейса USB.

Передаваемый калиброванный, стабилизированный, линеаризованный и оцифрованный сигнал излучения может включать в себя уникальный идентификатор детектора. Таким образом, устройство анализа может различать сигналы нескольких детекторных модулей.

Устройство анализа для анализа цифровых данных, предпочтительно, обеспечиваемых детекторным модулем через сеть связи или интерфейс связи, может содержать сетевой интерфейс связи для приема цифровых данных, предпочтительно, калиброванных, стабилизированных, линеаризованных и оцифрованных сигналов излучения, соответствующих одному или более типам излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, и сортировщик, предпочтительно, многоканальный анализатор (МКА) для генерации энергетических спектров с использованием принятых цифровых данных. Данные (т.е. оцифрованные сигналы излучения) могут поступать от множественных детекторных модулей. Таким образом, устройство анализа может действовать удаленно от нескольких детекторных модулей. Кроме того, можно построить сеть детекторных модулей без необходимости в обеспечении нескольких детекторных модулей, каждый из которых состоит из детекторного модуля и устройства анализа.

МКА устройства анализа может быть реализован в виде программного обеспечения или специализированных интегральных схем.

Кроме того, сетевой интерфейс связи устройства анализа может представлять собой по меньшей мере один из беспроводных интерфейсов связи, например WLAN, WiMAX, WiFi или Bluetooth, или проводных интерфейсов связи, например интерфейса Ethernet или интерфейса USB.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство анализа может содержать устройство хранения для сохранения совокупности эталонных энергетических спектров и/или сгенерированных энергетических спектров. Кроме того, в качестве дополнительных эталонных энергетических спектров могут храниться комбинации эталонных энергетических спектров.

Кроме того, устройство анализа может содержать устройство хранения для сохранения принятых цифровых данных (переданных детекторным модулем или детекторными модулями), благодаря чему принятые цифровые данные включают в себя уникальный идентификатор детектора, который используется для различения цифровых данных, полученных из разных детекторных модулей. Сохранение принятых данных может быть необходимо, если данные необходимо повторно использовать для другой цели, например для ревизионного архивирования.

В предпочтительном варианте осуществления устройство анализа может содержать компаратор, который осуществляет способ сравнения сгенерированных энергетических спектров с по меньшей мере одним из сохраненных эталонных энергетических спектров (шаблонных спектров) для определения, соответствует ли сгенерированный энергетический спектр по меньшей мере одному сохраненному эталонному энергетическому спектру. Способ сравнения можно осуществлять синхронно для генерации энергетических спектров. Таким образом, сравнение энергетического спектра с эталонным спектром может начинаться, даже если энергетический спектр еще не полностью сгенерирован. Таким образом, детекторная система, отвечающая изобретению, может обеспечивать детектирование сигналов излучения в квазиреальном времени.

В еще одном варианте осуществления устройство анализа может содержать средство для определения одиночных событий из принятых цифровых данных.

Конкретный вариант осуществления изобретения описан со ссылкой на следующие фигуры.

Фиг.1 - иллюстративный вариант осуществления детекторного модуля, содержащего сцинтилляционный кристалл, фотоумножительную трубку, СИД, аналого-цифровой преобразователь и устройство обработки информации.

Фиг.2 - иллюстративный вариант осуществления устройства анализа.

Фиг.3 - пример сравнения измеренного энергетического спектра с несколькими эталонными энергетическими спектрами.

Согласно фиг.1 основными элементами детекторного модуля являются

a) детекторный блок, состоящий из сцинтилляционного кристалла 10, фотоумножителя 20 с фотокатодом, играющим роль детектора света, и СИД 25, используемого для стабилизации детекторного блока,

b) устройство 40 обработки информации, подключенное к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 50, и

c) сетевой интерфейс 30a связи.

Излучение (например, γ-излучение) входит в сцинтилляционный кристалл 10 и поглощается в этом сцинтилляционном кристалле. Возбужденное состояние, возникающее вследствие поглощения излучения, затухает с излучением света. Затем свет направляется на фотокатод, который вследствие поглощения света испускает электроны. Результирующий электрический сигнал усиливается на фотоумножителе 20 и поступает на детекторную электронику (не показанную на фиг.1).

В то же время СИД 25 излучает свет, который проходит через фотоумножитель 20, когда он смонтирован в фотоумножителе 20, или проходит через сцинтилляционный кристалл 10, когда он смонтирован вне фотоумножителя, как показано на фиг.1. Излученный свет поглощается фотокатодом. СИД 25, предпочтительно, работает в импульсном режиме; результирующие сигналы имеют в основном прямоугольную форму.

Для стабилизации детекторного модуля сигналы, индуцированные излучением, и сигналы, индуцированные СИД, нужно отделять друг от друга. Для разделения этих сигналов измеренные сигналы цифруются на первом этапе посредством АЦП 50.

Оцифрованные сигналы анализируются (например, по высоте импульса и/или форме импульса), что позволяет отличить импульсы, индуцированные СИД, от импульсов, индуцированных излучением.

На дополнительном этапе оцифрованный сигнал излучения при необходимости можно стабилизировать.

Кроме того, оцифрованные сигналы излучения линеаризуются. Независимая линеаризация сигналов на каждом детекторном модуле имеет существенное преимущество в том, что дает возможность упростить и ускорить последующую обработку и/или анализ сигналов. Например, несколько линеаризованных оцифрованных сигналов излучения, поступающих от разных детекторных модулей, можно легко суммировать (например, посредством устройства анализа) без какой-либо дополнительной регулировки сигнала. Кроме того, процесс согласования можно осуществлять эффективнее, когда сигналы излучения, подлежащие согласованию, обеспечены в линеаризованном виде. Пример процесса согласования приведен ниже со ссылкой на фиг.3.

Анализ, стабилизация и линеаризация осуществляется устройством 40 обработки информации, которое подключено к АЦП 50. Устройство 80 обработки информации может выполнять ряд других задач, например назначение сигналу уникального идентификатора или кодирование сигнала в формат структурированных данных.

Кроме того, устройство обработки информации подключено к запоминающему устройству 80, в частности, для сохранения оцифрованных сигналов излучения. Таким образом, измерения сигналов излучения можно осуществлять без последующего этапа анализа измерений. С этой целью предпочтительно дополнительно сохранять метку времени совместно с сигналами излучения.

Детекторный модуль имеет сетевой интерфейс 30a связи, который может составлять часть устройства 40 обработки информации, как показано на фиг.1. Калиброванные, стабилизированные и оцифрованные сигналы излучения передаются через сетевой интерфейс 30a связи на устройство анализа.

В еще одном варианте осуществления необработанные данные оцифрованных сигналов излучения (т.е. не калиброванных, не стабилизированных и не линеаризованных сигналов излучения) могут передаваться через интерфейс 30a. Таким образом, устройство, принимающее переданные данные, может осуществлять дорогостоящие и сложные вычисления.

Заметим, что сохранение сигналов и передачу сигналов через интерфейс можно осуществлять асинхронно.

В результате, детекторный модуль, отвечающий изобретению, обеспечивает оцифрованный, калиброванный, стабилизированный и линеаризованный сигнал излучения, который может передаваться через интерфейс связи на устройство анализа для дальнейшей обработки.

На фиг.2 показан пример устройства анализа, отвечающего изобретению, состоящего из

a) сетевого интерфейса 30b связи для приема цифровых данных, предпочтительно, калиброванных, стабилизированных, линеаризованных и оцифрованных сигналов излучения, соответствующих одному или более типам излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучение ядерных частиц, от по меньшей мере одного детекторного модуля, описанного со ссылкой на фиг.1,

b) сортировщика 70, предпочтительно, многоканального анализатора (МКА), для генерации энергетических спектров с использованием принятых цифровых данных,

c) первого запоминающего устройства 91 и второго запоминающего устройства 92, и

d) компаратора 100.

Данные, переданные детекторным модулем через интерфейс 30a, принимаются интерфейсом 30b модуля анализа. Оцифрованные данные поступают на МКА, где генерируется энергетический спектр согласно принятым данным. Дополнительно, принятые данные могут сохраняться в первом запоминающем устройстве 91. Это может потребоваться, например, если требуется ревизионное архивирование или если принятые данные необходимы для дальнейшего анализа.

В одном варианте осуществления первое запоминающее устройство 91 можно использовать для буферизации принятых данных, если МКА 70 не способен сортировать принятые данные на той скорости, с которой они поступают от интерфейса 30b.

После генерации энергетического спектра его можно сохранять во втором запоминающем устройстве 92. Заметим, что энергетический спектр можно сохранять в запоминающем устройстве 92, даже если генерация спектра еще не закончена.

Заметим, что в еще одном варианте осуществления изобретения можно использовать единое запоминающее устройство для сохранения принятых данных и сгенерированного энергетического спектра или энергетических спектров.

В целях анализа сгенерированный энергетический спектр подается на компаратор, который способен сравнивать энергетический спектр с несколькими заранее заданными энергетическими спектрами (шаблонными спектрами) известных и, предпочтительно, часто регистрируемых схем затухания гамма-излучения. В запоминающем устройстве 92 (или 91) может храниться несколько шаблонных спектров. Компаратор 100 запрашивает по меньшей мере один из сохраненных шаблонных спектров и сравнивает запрошенный спектр со спектром, предоставленным МКА 70. Если запрошенный спектр совпадает с предоставленным спектром, устройство анализа может выдавать сигнал оповещения, например звуковой сигнал.

В еще одном варианте осуществления изобретения устройство анализа может принимать через устройство 30b интерфейса цифровые данные от нескольких разных детекторных модулей. Если цифровые данные передаются по беспроводному каналу, можно установить беспроводную сеть детекторных модулей, где требуется только одно устройство анализа. Преимущественно, когда переданные данные содержат уникальный идентификатор, уникальный идентификатор может представлять собой, например, адрес уровня управления доступом к среде (MAC), что позволяет устройству анализа различать данные, поступающие от разных детекторов. Согласно описанному выше принятые данные могут сохраняться в запоминающем устройстве 91 в целях архивации или в целях буферизации.

Все принятые данные поступают на МКА 70, который суммирует (генерирует) принятые данные в энергетический спектр. Таким образом, сгенерированный энергетический спектр может представлять спектр единичного источника излучения или нескольких разных источников излучения, в зависимости от местоположения разных детекторных модулей и наблюдаемой области модулей. Поскольку каждый детекторный модуль обеспечивает оцифрованные данные, содержащие уникальный идентификатор, данные могут назначаться соответствующему детекторному модулю, что позволяет определять, какие детекторные модули измерили какой источник излучения. Это может быть необходимо и/или полезно при добавлении других признаков анализа в детекторную систему.

На фиг.3 показан пример процесса согласования. Для обеспечения вышеописанной эффективной сети детекторов преимущественно, когда устройство анализа способно автоматически регистрировать источник излучения, если источник излучения входит в область наблюдения детекторного модуля. С этой целью настоящее изобретение предусматривает использование процесса согласования с шаблоном. В общем случае процесс согласования с шаблоном сравнивает измеренный энергетический спектр с заранее определенным энергетическим спектром для определения, соответствует ли измеренный энергетический спектр заранее определенному энергетическому спектру.

Такой процесс описан исключительно в порядке примера со ссылкой на фиг.3. На первом этапе первый шаблонный спектр TS1 сравнивается с измеренным спектром. Если TS1 совпадает с измеренным спектром, процесс может закончиться или может продолжиться за счет сравнения второго шаблонного спектра TS2 с измеренным спектром, предпочтительно, после корректировки измеренного спектра «вычитанием» первого совпадающего эталонного спектра TS1.

Кроме того, фоновый спектр можно удалить из измеренного спектра до начала процесса согласования. Удаление фонового спектра, в свою очередь, можно осуществлять путем согласования измеренного спектра с шаблонным спектром, представляющим фоновый спектр. Фоновый спектр можно измерять с использованием системы, отвечающей изобретению, т.е. с использованием детекторного модуля и устройства анализа. Данные, собранные детекторным модулем, передаются на модуль анализа. МКА 70 сортирует принятые данные и сохраняет сгенерированный спектр в качестве эталонного спектра в запоминающем устройстве 92. Если несколько разных детекторных модулей соединено с устройством анализа, можно определять и сохранять разные фоновые спектры (по одному фоновому спектру для каждого модуля). Определение фоновых спектров может автоматически осуществляться после запуска детекторного модуля. Кроме того, фоновые спектры могут определяться в заранее определенные периоды времени.

Таким образом, обеспечивается эффективная детекторная система для детектирования излучения, которая позволяет построить сеть детекторов, предпочтительно, беспроводную сеть детекторов, благодаря чему требуется только одной устройство анализа. Кроме того, вся сеть детекторов может действовать без вмешательства человека, т.е. источники излучения, представляющие интерес, автоматически измеряются и детектируются, и источники излучения, не представляющие интереса, автоматически удаляются из анализируемого спектра.

Использование: для измерения излучения. Сущность: заключается в том, что детекторный модуль для измерения одного или более типов излучения содержит блок детектирования, состоящий из сцинтилляционного детектора (10) и фотодетектора (20), обеспечивающего электронные импульсы, находящиеся в известной связи с интенсивностью света, вырабатываемого сцинтилляционным детектором, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (50), подключенный к фотодетектору, причем АЦП преобразует аналоговый выходной сигнал фотодетектора в оцифрованный сигнал излучения, устройство (40) обработки информации, подключенное к АЦП, причем устройство обработки информации осуществляет способ калибровки, стабилизации и линеаризации оцифрованного сигнала излучения, и сетевой интерфейс (30a) связи, причем устройство обработки информации дополнительно осуществляет способ передачи калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения через сетевой интерфейс связи на устройство анализа. Технический результат: обеспечение возможности создания детекторной системы, позволяющей централизованно осуществлять надзор или наблюдение нескольких мест с использованием нескольких детекторных систем, а также обеспечение возможности создания детекторной системы, которая позволяет наблюдать одиночное положение или место с использованием нескольких разных детекторных систем, что позволяет централизованно осуществлять анализ измерения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Детекторный модуль для измерения одного или более типов излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, содержащий
блок детектирования, состоящий из сцинтилляционного детектора (10) и фотодетектора (20), обеспечивающего электронные импульсы, находящиеся в известной связи с интенсивностью света, вырабатываемого сцинтилляционным детектором,
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (50), подключенный к фотодетектору, причем АЦП преобразует аналоговый выходной сигнал фотодетектора в оцифрованный сигнал излучения,
устройство (40) обработки информации, подключенное к АЦП, причем устройство обработки информации осуществляет способ калибровки, стабилизации и линеаризации оцифрованного сигнала излучения, и
сетевой интерфейс (30a) связи,
причем устройство обработки информации дополнительно осуществляет способ передачи калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения через сетевой интерфейс связи на устройство анализа.

2. Детекторный модуль по п.1, в котором устройство обработки информации (40) содержит по меньшей мере один из цифрового сигнального процессора (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемого логического устройства (PLD) и микроконтроллера.

3. Детекторный модуль по п.1, в котором устройство обработки информации (40) содержит запоминающее устройство (80) для сохранения оцифрованного, калиброванного, стабилизированного и линеаризованного сигнала излучения, причем способ калибровки, стабилизации и линеаризации оцифрованного сигнала излучения содержит этап сохранения калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения.

4. Детекторный модуль по п.3, в котором этап сохранения калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения и способ передачи калиброванного, стабилизированного, линеаризованного и оцифрованного сигнала излучения осуществляются асинхронно.

5. Детекторный модуль по п.1, в котором сетевой интерфейс (30a) связи представляет собой по меньшей мере один из беспроводных интерфейсов связи, например WLAN, WiMAX, WiFi или Bluetooth, или проводных интерфейсов связи, например интерфейса Ethernet или интерфейса USB.

6. Детекторный модуль по одному из предыдущих пунктов, в котором передаваемый калиброванный, стабилизированный, линеаризованный и оцифрованный сигнал излучения включает в себя уникальный идентификатор детектора.

7. Устройство анализа для анализа цифровых данных, предпочтительно обеспечиваемых детекторным модулем по одному из предыдущих пунктов, содержащее
сетевой интерфейс (30b) связи для приема цифровых данных, предпочтительно калиброванных, стабилизированных, линеаризованных и оцифрованных сигналов излучения, соответствующих одному или более типам излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, и
сортировщик (70), предпочтительно многоканальный анализатор (МКА), для генерации энергетических спектров с использованием принятых цифровых данных.

8. Устройство анализа по п.7, в котором МКА реализован в виде программного обеспечения или специализированных интегральных схем.

9. Устройство анализа по п.7, в котором сетевой интерфейс (30b) связи представляет собой по меньшей мере один из беспроводного интерфейса связи, например WLAN, WiMAX, WiFi или Bluetooth, или проводного интерфейса связи, например интерфейса Ethernet или интерфейса USB.

10. Устройство анализа по одному из пп.7-9, дополнительно содержащее устройство (92) хранения для сохранения совокупности эталонных энергетических спектров и/или сгенерированных энергетических спектров.

11. Устройство анализа по одному из пп.7-9, дополнительно содержащее устройство (91) хранения для сохранения принятых цифровых данных, причем принятые цифровые данные включают в себя уникальный идентификатор детектора, который используется для различения цифровых данных, полученных из разных детекторных модулей.

12. Устройство анализа по п.11, дополнительно содержащее компаратор (100), который осуществляет способ сравнения сгенерированных энергетических спектров с по меньшей мере одним из сохраненных эталонных энергетических спектров (шаблонных спектров) для определения, соответствует ли сгенерированный энергетический спектр по меньшей мере одному сохраненному эталонному энергетическому спектру, причем способ сравнения осуществляется синхронно для генерации энергетических спектров.

13. Устройство анализа по одному из пп.7-9, дополнительно содержащее средство для определения одиночных событий из принятых цифровых данных.

14. Детекторная система для детектирования одного или более типов излучения, в частности рентгеновского излучения, гамма-излучения или излучения ядерных частиц, содержащая по меньшей мере один детекторный модуль по одному из пп.1-6 и устройство анализа по одному из пп.7-13.