СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО РЕПЕРНОМУ ПИКУ Российский патент 2013 года по МПК G01T1/40 

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].

Эти известные способы имеют следующие недостатки.

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. Кроме этого, наличие дополнительного реперного радиоактивного или светового излучателя усложняет конструкцию, снижает надежность и повышает стоимость блока детектирования.

В качестве прототипа выбран способ наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности и свободный от указанных выше недостатков. В нем в качестве реперного источника используют пик измеряемого излучения, при этом 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 [2].

Недостатком этого способа является то, что стабилизация без дополнительного реперного источника (по измеряемому внешнему излучению) возможна только при наличии в спектральном распределении регистрируемых гамма-квантов измеряемого излучения достаточно четко выраженного отдельно расположенного пика. Уже в случае с несколькими пиками стабилизация затруднена из-за необходимости распознавания конкретного пика. Кроме этого, при таком способе автостабилизации невозможно использовать наиболее перспективные для радиационных приборов контроля технологических параметров органические сцинтилляторы (антрацен, стильбен, полистирол), т.к. пики в спектре регистрируемых гамма-квантов измеряемого излучения в них малоразличимы из-за весьма большого (в десятки и сотни раз) отношения сечения комптоновского взаимодействия и фотоэффекта.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого способа, заключается в повышении стабильности и надежности стабилизации при работе с различными спектральными распределениями и интенсивностями измеряемого излучения, а также в обеспечении работы системы автостабилизации при отсутствии или плохой различимости пиков в спектре регистрируемых гамма-квантов измеряемого излучения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику, в котором 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, дополнительно выбирают размеры сцинтиллятора такими, чтобы проходящие через него мюоны вторичного космического излучения при наиболее вероятной длине пути оставляли в нем энергию E_махP, превышающую максимальную энергию регистрируемых гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения, а вышеупомянутые два смежных дифференциальных канала предварительно устанавливают таким образом, чтобы E_махP находилась в одном из них.

Реализация заявляемого способа основана на том, что, как экспериментально установлено авторами заявки, если выбрать размеры сцинтиллятора такими, чтобы проходящие через него мюоны вторичного космического излучения при наиболее вероятной длине пути оставляли в нем энергию E_махP, превышающую максимальную энергию регистрируемых гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения, то в спектре регистрируемого излучения возникает обусловленный взаимодействием с этими мюонами отчетливый пик. Очевидно, что этот пик располагается в области энергий, где практически отсутствует регистрация гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения и, следовательно, его местоположение и форма не зависят от этого излучения.

Упомянутый пик на приборном энергетическом спектре регистрируемого излучения образуется по следующей причине. Подавляющее большинство мюонов вторичного космического излучения, проходящих через сцинтиллятор, имеют энергию десятки и сотни МэВ. Часть этой энергии выделяется в детекторе и преобразуется в световой импульс, причем эта часть определяется практически не энергией мюона, а тем, какой путь прошел мюон в сцинтилляторе.

Пространственное распределение потока мюонов вторичного космического излучения на поверхности земли определяется экранировкой Землей, а также увеличением толщины атмосферы при уменьшении угла по отношению к горизонту и в вертикальном сечении имеет форму лепестка. Понятно, что при обычных формах сцинтиллятора (цилиндр, прямоугольный параллелепипед) существует единственная наиболее вероятная длина пути проходимая мюонами вторичного космического излучения L_махP,, которая зависит от пространственного распределения потока мюонов, размеров и положения в пространстве и размеров сцинтиллятора. Таким образом, при определенном пространственном распределении потока мюонов и фиксированном положении сцинтиллятора всегда можно выбрать размеры последнего такими, чтобы проходящие через него мюоны вторичного космического излучения при наиболее вероятной длине пути L_махP оставляли в нем энергию E_махP, превышающую максимальную энергию регистрируемых гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения. В результате этого на спектре регистрируемого излучения будет иметь место обусловленный взаимодействием с мюонами пик, расположенный в области энергий, где практически отсутствует регистрация гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения.

Известно, что для воды на 1 см пути независимо от энергии мюона поглащается около 2 МэВ энергии [3]. Таким образом, при использовании горизонтально расположенного цилиндрического сцинтилляторана на основе NaJ (T1) ⌀ 4×25 см, в котором наиболее вероятная длина пути для мюонов вторичного космического излучения оставляет около 2, 5 см и с учетом плотности NaJ=3,56 г/см³, в приборном спектре должен появиться пик в районе 2,5×3,6×2=18 МэВ.

Такое теоретическое обоснование было экспериментально подтверждено авторами заявки. На рис.1 представлен полученный с указанным сцинтиллятором приборный спектр при постоянной относительной ширине окна спектрометра, подтверждающий наличие пика в области 18 МэВ. Причем, как установлено, форма спектра при энергиях более 3-4 МэВ остается неизменной при изменении регистрируемого излучения в широких пределах.

Аналогичные результаты были получены авторами заявки и на других неорганических и органических сцинтилляторах различных форм и размеров (NaJ(T1) ⌀ 6,3×25 см; CsJ(T1) ⌀ 2,5×25 см; полистирол 10×10×30 см и ⌀ 25×6,3).

Таким образом, из изложенного следует, что если выбрать размеры сцинтиллятора такими, чтобы проходящие через него мюоны вторичного космического излучения при наиболее вероятной длине пути оставляли в нем энергию E_махP, превышающую максимальную энергию регистрируемых гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения, и два смежных дифференциальных канала системы автостабилизации предварительно установить таким образом, чтобы E_махP находилась в одном из них то, регистрируя и сравнивая средние частоты следования импульсов в первом и втором дифференциальных каналах и по результатам сравнения формируя управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта, получим устойчивую систему стабилизации. При этом работа системы стабилизации практически не будет зависеть от регистрируемого детектором гамма-излучения.

Заявляемый способ реализован в разработанном ЗАО «НТЦ Экофизприбор» опытном образце сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения БД-1МС. Успешное испытание этого блока подтвердило эффективность предлагаемого способа стабилизации его чувствительности.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата.

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

Литература

1. Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа. - М.: Атомиздат, 1976, с.172.

2. Цитович А.П. Ядерная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с.47 (Прототип).

3. Е.V. Bugaev, A. Misaki, V.A. Naumov, T.S. Sinegovskaya, S.I. Sinegovsky and N. Takahashi. Atmospheric muon flux at sea level, underground and underwater. Phys. Rev. D 58, No.5, 1998.

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. Сущность изобретения заключается 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, дополнительно выбирают размеры сцинтиллятора такими, чтобы проходящие через него мюоны вторичного космического излучения при наиболее вероятной длине пути оставляли в нем энергию Е_махP, превышающую максимальную энергию регистрируемых гамма-квантов от измеряемого и фонового излучения, а вышеупомянутые два смежных дифференциальных канала предварительно устанавливают таким образом, чтобы Е_махP находилась в одном из них. Технический результат - повышение стабильности и надежности стабилизации. 1 ил.

Способ стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику, в котором 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 размеры сцинтиллятора выбирают такими, чтобы проходящие через него мюоны вторичного космического излучения при наиболее вероятной длине пути оставляли в нем энергию Е_махP, превышающую максимальную энергию регистрируемых гамма-квантов от измеряемого и фонового излучений, а вышеупомянутые два смежных дифференциальных канала предварительно устанавливают таким образом, чтобы Е_махP находилась в одном из них.