УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК G01T1/11 

Изобретение относится к устройствам для люминесцентных измерений и может быть использована в термолюминесцентной дозиметрии, особо в скоростной термолюминесцентной дозиметрии при скоростях нагрева термодатчиков, в частности, монокристаллов, пластин толщиной > 1 мм с низким коэффициентом теплопроводности и скоростях нагрева свыше 1 К/c, требующих учета возникающего из-за тепловой инерции градиента температур на нижней и верхней поверхности термодатчика для корректировки кривых термостимулированной люминесценции (ТСЛ) для увеличения степени достоверности дозиметрических измерений.

Известно устройство для определения поглощенной дозы ионизирующего излучения [В. Штольц, Р. Бернхард, Дозиметрия ионизирующего излучения, пер. с англ., Рига, Зинатне, 1982, стр. 97-98, рис. 22], включающее дозиметрический датчик (термолюминесцентный кристаллофосфор), блок нагрева указанного дозиметрического датчика и блок регистрации ТСЛ путем измерения ее интенсивности с помощью фотоэлектронного умножителя с усилителем-преобразователем сигнала, с самописцем для записи ТСЛ и со счетно-печатающим устройством.

Недостатком известного устройства для люминесцентных измерений является то, что оно при измерении ТСЛ не позволяет измерять и учитывать эффекты, обусловленные градиентом температур для образцов повышенной толщины более 1 мм при повышенных скоростях нагрева, что необходимо для увеличения степени достоверности и информативности дозиметрических измерений.

Известна также полезная модель устройства для люминесцентных измерений, а именно люминесцентного спектрометра [патент РФ 87801, опубликован 20.10.2009], включающая фотоэлектронный умножитель, монохроматор, оптическую систему, компьютер, держатель исследуемого образца, источники возбуждения люминесценции в виде источника рентгеновского излучения и лазеров. Недостатком известного устройства является невозможность проведения термолюминесцентных исследований из-за отсутствия устройства нагрева исследуемого образца.

Известно устройство для исследования термо- и оптически-стимулированной люминесценции различных оптических материалов фирмы Riso (Дания) [http://www.nutech.dtu.dk/english/products-and-services/radiation-instruments/tl_osl_reader], включающее держатель исследуемого образца с устройством нагрева образца, выполненным на основе прямоугольной пластинки сплава высокого сопротивления, нагреваемой регулируемым синусоидальным током частотой 20 кГц, блок управления, источники возбуждения люминесценции (бета- и гамма излучения), фотоэлектронный умножитель, широкополосные оптические фильтры для выделения определенного рабочего диапазона спектра и компьютер.

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности при измерении термостимулированной люминесценции измерять и учитывать эффекты, обусловленные градиентом температур для образцов повышенной толщины более 1 мм при повышенных скоростях нагрева, что необходимо для увеличения степени достоверности и информативности дозиметрических измерений.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является высокотемпературная приставка для флуоресцентного спектрометра Perkin Elmer LS55 для измерения спектральных характеристик термолюминесценции. Авторы А.С. Вохминцев, М.Г. Минин, Д.В. Чайкин, И.А. Вайнштейн. Приборы и техника эксперимента, 2014, №3, с. 139-143.

Высокотемпературная приставка позволяет проводить люминесцентные измерения в диапазоне до 773 К в режиме линейного нагрева и термостатирования. Приставка состоит из нагревательного столика с термопарой, силового блока, блока удаленного запуска и контрольно-измерительного блока.

Недостатками указанной приставки является то, что при измерении ТСЛ из-за наличия только одной термопары в устройстве регистрируется только температура нагревательного столика, соответственно нижней поверхности образца, или температура верхней поверхности образца. Это приводит к тому, что известная высокотемпературная приставка при измерении кривых ТСЛ для толстых термолюминесцентных датчиков, в частности, монокристаллов, или керамических пластин толщиной > 1 мм с низким коэффициентом теплопроводности и скоростях нагрева свыше 1 К/c не позволяет для корректировки зарегистрированных термолюминесцентных кривых учитывать возникающий из-за тепловой инерции градиент температур до 15-20 °С и выше на поверхностях применяемых термолюминесцентных датчиков, что необходимо для снижения экспериментальной ошибки, увеличения степени достоверности проведенных дозиметрических измерений а также точности корректной оценки значений параметров дозиметрических зависимостей и механизмов термостимулированной люминесценции в детекторных материалах твердотельной дозиметрии.

Технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной моделью, является разработка устройства для люминесцентных измерений, которое позволяет корректировать регистрируемые кривые ТСЛ с учетом возникающего из-за тепловой инерции градиента температур на поверхностях термолюминесцентных датчиков, используемых при измерениях, в частности, монокристаллов, или керамических пластин толщиной > 1 мм, с низким коэффициентом теплопроводности в широком диапазоне скоростей нагрева свыше 1 К/c, что необходимо для снижения ошибок и увеличения степени достоверности проведенных дозиметрических измерений.

Для решения этой технической проблемы предлагаемое устройство для люминесцентных измерений включает нагревательный столик, на котором расположены исследуемый объект и термопара для измерения температуры верхней поверхности нагревательного столика, включенная в усилительный канал блока управления, образующие блок нагрева исследуемого объекта, соединенный с выходом блока управления, монохроматор для измерения в различных спектральных диапазонах от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного и фотоэлектронный умножитель, подключенные последовательно к выходу блока нагрева, а также шину управления и передачи сигналов и компьютер, соединенные с блоком управления. При этом на верхней поверхности объекта установлена вторая термопара, в блоке управления введен второй независимый усилительный канал, первая термопара включена в первый усилительный канал блока управления, вторая термопара включена во второй усилительный канал, а блок управления выполнен с возможностью измерения разности сигналов с двух термопар для определения градиента температур между нижней и верхней поверхностями объекта.

Устройство для люминесцентных измерений поясняется фигурами:

Фиг. 1 - блок-схема устройства для измерения люминесценции с использованием стандартных ТСЛ-датчиков или для измерения/исследования ТСЛ новых разрабатываемых образцов термодатчиков;

Фиг. 2 - температурный градиент между нижней поверхностью ТСЛ-датчика/предметным столиком и верхней поверхностью ТСЛ-датчика/образца для различных толщин датчиков и скоростях нагрева.

На Фиг. 1 приведена блок-схема устройства для люминесцентных измерений, которая содержит блок нагрева 1 термолюминесцентного датчика или нагрева исследуемого образца нового материала для термодатчика. Датчик/образец, расположенный на внешней поверхности нагревательного столика (на схеме показан пунктиром) нагревается с установленной постоянной скоростью. Температура образца контролируется с использованием термопары 11, которая расположена на верхней поверхности образца. Выводы термопары 11 являются выходами 12, 13 блока нагрева 1 и соединены с входами 14, 15 усилительного канала У1, являющегося частью блока управления 8. Вблизи нагревателя в верхней части поверхности нагревательного столика размещена термопара 16. Выводы термопары 16 являются выходами 17 и 18 блока нагрева 1 и соединены со входами 19 и 20 усилительного канала У2, являющегося частью блока управления 8. Блок управления 8 имеет в своем составе два независимых усилительных канала У1 и У2, а так же вычислительное устройство ВУ, позволяющее осуществлять арифметические операции с сигналами на выходе усилительных каналов У1 и У2.

Возникающая в блоке 1 широкополосная люминесценция 2 (показана стрелками) от измеряемого ТСЛ-датчика/образца регистрируется монохроматором 3, узкополосный сигнал 4 с выхода которого передается на фотоэлектронный умножитель 5. Электрический сигнал с выхода 6 фотоэлектронного умножителя поступает на вход 7 блока управления 8, который с использованием шины управления и передачи сигналов 9 связан с компьютером 10. Компьютер 10 преобразует электрические сигналы с термопар 11 и 16 и фотоэлектронного умножителя 5 в показания температуры образца, градиента температур и интенсивности люминесценции. При этом, электрические сигналы с входов 19 и 20 блока управления 8 позволяют контролировать температуру блока нагрева 1 и не допускать превышения установленного предела, а сигналы с входов 14 и 15 блока 8 позволяют измерять температуру верхней поверхности образца, вычислительное устройство ВУ при этом позволяет определять разность температур, измеренных термопарами 11 и 16. Полученные зависимости интенсивности термолюминесценции образца от температуры выводятся на экран компьютера и сохраняются в файле данных.

На Фиг. 2 показаны зависимости температурного градиента от температуры предметного столика при варьировании как толщины, так и скорости нагрева для образцов слюды толщиной: 1мм (кривая 1), 2мм (кривая 2) и 3 мм (кривая 3) при скорости нагрева 2 К/с, а также для различных скоростей нагрева: 0.5 К/с (кривая 4), 1 К/с (кривая 5) и 5 К/с (кривая 6) при толщине образца 1 мм.

При увеличении толщины от 1 до 3 мм ΔT изменяется от 38 до 56 К при температуре 473 К, а при увеличении скорости нагрева от 0.5 до 5 К/с величина ΔT изменяется от 37 до 44 К при 473 К. Полученные данные показывают, что в образце возникает температурный градиент, который необходимо учитывать при построении истиной кривой ТСЛ и определении кинетических параметров при проведении измерений/исследований методом вариации скоростей нагрева. Следовательно, разработанное устройство для люминесцентных измерений позволяет определять градиент температур между верхней и нижней поверхностями образцов для повышения корректности термолюминесцентных измерений, а также для повышения точности корректной оценки значений параметров дозиметрических зависимостей и механизмов термостимулированной люминесценции в детекторных материалах твердотельной дозиметрии и достоверности получаемых научных результатов в целом ряде других спектроскопических и люминесцентных методик, связанных с нагревом образцов.

Устройство для люминесцентных измерений может быть использовано в термолюминесцентной дозиметрии, особо в скоростной термолюминесцентной дозиметрии. Устройство для люминесцентных измерений, включающее блок нагрева образца ТСЛ-датчика, вход которого соединен с выходом блока управления, блок контроля температуры образца, фотоэлектронный умножитель в регистрирующем канале устройства и компьютер, характеризующееся тем, что в блоке контроля температуры образца для определения градиента температур на верхней и нижней поверхностях применяемого/исследуемого образца ТСЛ-датчика предусмотрены две термопары для регистрации фактической температуры как верхней, так и нижней поверхностей образца ТСЛ-датчика. Особенностями устройства является то, что обе термопары включены в независимые усилительные каналы, разница сигнала с которых используется для корректировки дозиметрических измерений и существенно повышает достоверность измерений, а также точность корректной оценки значений параметров дозиметрических зависимостей и механизмов термостимулированной люминесценции в детекторных материалах твердотельной дозиметрии. 2 ил.

Устройство для люминесцентных измерений, включающее нагревательный столик, на котором расположены исследуемый объект и термопара для измерения температуры верхней поверхности нагревательного столика, включенная в усилительный канал блока управления, образующие блок нагрева исследуемого объекта, соединенный с выходом блока управления, монохроматор для измерения в различных спектральных диапазонах от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного и фотоэлектронный умножитель, подключенные последовательно к выходу блока нагрева, а также шину управления и передачи сигналов и компьютер, соединенные с блоком управления, отличающееся тем, что на верхней поверхности объекта установлена вторая термопара, в блок управления введен второй независимый усилительный канал, при этом вторая термопара включена во второй усилительный канал, а блок управления выполнен с возможностью измерения разности сигналов с двух термопар для определения градиента температур между нижней и верхней поверхностями объекта.