Стенд для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков Российский патент 2024 года по МПК G01N21/00 G01N23/00 

Заявляемое изобретение относится к фотометрии и рентгеноскопии, а более конкретно к устройству для отработки конструкции и наладки рентгеновских и оптических датчиков на основе монофотонной технологии.

В настоящее время трудно найти область науки, техники, производства, транспорта и т.п., где бы не использовалась технология, основанная на регистрации рентгеновского и оптического излучений. Соответственно встает задача разработки, отладки и калибровки обоих типов датчиков.

При проведении исследований часто возникает необходимость регистрировать очень слабое излучение, например, при регистрации рентгеновского и оптического излучений, исходящих от биологического образца, подвергаемого воздействию указанным излучением. В этом случае необходимо максимально уменьшить интенсивность облучающих излучений, чтобы не повредить сам образец, и вследствие этого исходящее флуоресцентное (рентгеновское или оптическое) излучение будет слабым.

В таких случаях необходимо применять высокочувствительные рентгеновские и оптические датчики. К таким устройствам относятся датчики, основанные на монофотонной технологии [1].

Отработка конструкции такого датчика, наладка и калибровка - сложная техническая процедура, в ходе реализации которой: необходимо определить оптимальные конструктивные особенности датчика и параметры подаваемых напряжений. При такой отработке необходимо многократно независимо изменять различные параметры и обрабатывать большой объем информации. Для этого необходимо иметь устройство, которое обеспечивает оптимальные условия удобства работы при минимальных временных затратах на проведение настройки датчика. Настоящее изобретение относится к конструкции стенда для наладки и калибровки рентгеновских и оптических датчиков, использующих монофотонную технологию, на основе специализированного стенда.

Известно устройство [2], включающее в себя фотоэлектронный умножитель с блоком усиления, сцинтилляционный кристалл, соединенный с фотоэлектронным умножителем, источник калиброванных вспышек света для симуляции сцинтилляционного светового излучения, связанный с фотоэлектронным умножителем с помощью световода, эталонный источник гамма-излучения и сменные свинцовые экраны, расположенные на одной оптической оси с фотоэлектронным умножителем, датчик температуры, закрепленный на сцинтилляционном кристалле, и управляющий компьютер, связанный с фотоэлектронным умножителем и источником калиброванных вспышек света.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности использования его для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков.

Известно также устройство [3], для исследования датчиков, имеющих размещенные внутри корпуса фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, содержащее корпус, источник излучения, электронный измерительный блок, источник питания и управляющую ЭВМ, предназначенную для сбора и обработки результатов испытаний.

Главным недостатком этого устройства является отсутствие высоковакуумной камеры. Вследствие этого стенд может использоваться только для исследования уже откачанных и запаянных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Это не позволяет осуществлять отладку конструкции датчиков в процессе разработки. Кроме того, в стенде не предусмотрено использование источника излучения рентгеновского диапазона.

Технической задачей изобретения является преодоление указанных недостатков.

Техническим результатом является повышение точности и достоверности получаемой информации, что позволяет обеспечить качественную настройку рентгеновских и оптических монофотонных датчиков, а также производить отработку их конструкции.

Технический результат достигается в результате того, что в стенде для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков, имеющих размещенные внутри корпуса фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, содержащий корпус, источник излучения, электронный измерительный блок, источник питания и управляющую ЭВМ, предназначенную для сбора и обработки результатов испытаний, датчик размещен внутри герметичной камеры, подключенной к вакуумному насосу и содержащей окно для прохода лучей рентгеновского или оптического диапазона от источника излучения, размещенного напротив окна, коллектор датчика подключен к электронному блоку обработки информации, поступающей с датчика, а последний связан с управляющей ЭВМ, позволяющей определять параметры

функционирования детектора и управлять работой источника питания и источником излучения. Давление внутри герметичной камеры составляет не менее 10^-5 мм. рт.ст. Для калибровки рентгеновских датчиков в окне для прохода лучей размещают бериллиевую пластину.

Существо изобретения поясняется на представленных фигурах.

На Фиг. 1 представлена схема стенда для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков.

На Фиг. 2 представлена в увеличенном размере схема монофотонного датчика

На Фиг. 3 представлена блок схема операций, которые реализуют при работе стенда.

Стенд содержит корпус 1, внутри которого размещен посредством фланца 2 монофотонный датчик 3 (показан в увеличенном размере на фиг.2), содержащий фотокатод 4, сборки микроканальных пластин (МКП) 5 и 6, за МКП находятся корректирующие линзы 7,8,9 и коллектор 10. Полость корпуса 1 через систему трубопроводов соединена с высоковакуумным насосом 11 и форвакуумным насосом 12. Датчик 2 электрически подключен к измерительному блоку 13 и через него к управляющей ЭВМ 14. Источник питания 15 обеспечивает питания всех потребителей электроэнергии. В корпусе 1 напротив источника излучения 16 выполнено окно 17.

При работе стенда осуществляются следующие физические процессы. Излучение « у» (рентгеновское или оптическое, фиг.2), создаваемое источником 1, проходит через окно 17 и попадает на фотокатод макета детектора 2 (в случае оптического детектора) или проходит через бериллиевую пластину (в случае рентгеновского детектора входное окно заменяется на бериллиевую пластину). Фотоэлектрон «е» (в случае оптического детектора) ускоряется напряжением U1 и выбивает электрон из первой микроканальной пластины, а в случае рентгеновского детектора рентгеновское излучение непосредственно выбивает электрон из микроканальной пластины МКП. Далее выбитый электрон размножается в сборке из двух 5 и 6 или более МКП. На выходе микроканала первой пластины образуется электронная лавина, которая попадает в микроканалы второй пластины и в каждом микроканале второй платины также происходит размножение электронов. МКП может быть одна, две или более в зависимости от требуемого усиления сигнала. Электронная лавина с выхода последней пластины проходит через корректирующие линзы 7, 8 и 9 и попадает на аноды коллектора 10. Накапливаемые анодами заряды позволяют определять пространственные координаты прихода фотона излучения на вход детектора.

Электронный измерительный блок 13 позволяет аналоговые сигналы перевести в цифровую форму. С помощью управляющей ЭВМ 14 определяются следующие параметры функционирования макета детектора: амплитудное распределение импульсов с коллектора, величины зарядов на отдельных анодах коллектора, предварительные координаты прихода регистрируемого фотона на вход макета детектора, времена приходы фотонов.

При эксплуатации стенда реализуется следующая последовательность операций (фиг.3).

Используется макет датчика предварительная конструкция которого и напряжения на всех элементах конструкции датчика была найдены с помощью программного обеспечения имитации прохождения электронов в электрических полях (далее программа 1) для выбранной схемы датчика.

Первый этап.

1. Макет датчика помещают в вакуумную полость корпуса 1.

2. Система электродов коллектора подключают к измерительному блоку 13.

3. Элементы детектора, показанные на Фиг. 2 подключают к источнику электропитания 15.

4. Производят откачку воздуха сначала с помощью форвакуумного насоса 12, а затем высоковакуумного турбомолекулярного насоса 11 до вакуума не ниже 10^-5 мм рт.ст.

5. На элементы детектора, показанные на Фиг. 2, подаются первоначальные напряжения, полученные с помощью программы 1.

6. С помощью управляющей ЭВМ 13 регистрируют шум датчика.

7. Включают источник излучения 16 и излучение направляют на входное окно 17.

8. С помощью управляющей ЭВМ 14 производят регистрацию следующих параметров: амплитудное распределение сигналов с коллектора, распределение зарядов по элементам коллектора, работа блока измерения времени прихода фотона на вход датчика.

На основе полученных данных делается заключение о работоспособности датчика. В случае необходимости изменяются конструктивные особенности - расстояния между фотокатодом и входом первой МКП, расстояние между МКП, расположение корректирующих линз. И опять проводят исследования по пунктам первого этапа.

По результатам исследования принимается решение о необходимости изменения конструкции датчика или же в случае удовлетворительной работы датчика переходят ко второму этапу.

Второй этап состоит в подборе оптимального режима напряжений на всех элементах конструкции датчика.

При исследовании характеристик и определении оптимальных режимов работы датчиков необходимо независимо изменять напряжения на каждом промежутке дрейфа и на каждой МКП. При этом приходится многократно измерять счетные характеристики и амплитудные распределения выходных импульсов датчиков и обрабатывать большой объем информации. Для этого необходимо обеспечить автоматизированный режим исследования работы датчика.

Второй этап выполняется в автоматизированном режиме исследования датчика по пунктам первого этапа, но для различных наборов напряжений на элементах конструкции датчика.

Работа стенда в автоматизированном режиме обеспечивается программным обеспечением (программа 2), которое позволяет изменять напряжения на любых промежутках дрейфа и МКП в заданном диапазоне с заданным шагом. Программа позволяет организовать циклы измерений, когда одно из напряжений (по выбору) изменяется во внешнем цикле с заданным шагом, а другое -во внутреннем цикле также с заданным шагом.

На основе полученной информации производится решение об изменении конструктивных параметров датчика, величинах потенциалов на всех элементах датчика (фотокатод, МКП, корректирующие линзы, коллектор). Такая информация, получаемая в итеративном режиме, позволяет отработать конструкцию датчика или наладить уже готовый датчик для получения требуемых характеристик последнего и выбрать оптимальный режим работы датчика.

Источники информации.

1. Belov A. A., Egorov V. V., Kalinin А. P., Korovin, Rodionov A. I., Rodionov I. D., Stepanov S. N. Ultraviolet Monophoton Sensor «Когопа» Automation and Remote Control, 2014, Vol.75, No. 12, pp.345-349.

2. RU 198513, «Стенд для проведения испытаний сцинтилляционных датчиков», МПК G01T 1/00,опубл. 14.07.2020.

3. Белов А. А., Зубков Б. В., Калинин А. П., Криванков С.Н., Крысюк И. В., Модин С.Ф., Родионов А.И., Родионов И.Д., Федунин Е.Ю., «Стенд для исследования фотоэлектронных умножителей на основе микроканальных пластин», Приборы и техника эксперимента, №2, с. 157, 2005.

Использование: для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков. Сущность изобретения заключается в том, что cтенд для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков, имеющих размещенные внутри корпуса фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, содержит корпус, источник излучения, электронный измерительный блок, источник питания и управляющую ЭВМ, предназначенную для сбора и обработки результатов испытаний, при этом датчик размещен внутри герметичной камеры, подключенной к вакуумному насосу и содержащей окно для прохода лучей рентгеновского или оптического диапазона от источника излучения, размещенного напротив окна, коллектор датчика подключен к электронному блоку обработки информации, поступающей с датчика, а последний связан с управляющей ЭВМ, позволяющей определять параметры функционирования детектора и управлять работой источника питания и источником излучения. Технический результат: обеспечение возможности точной настройки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стенд для наладки и калибровки рентгеновских и оптических монофотонных датчиков, имеющих размещенные внутри корпуса фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, содержащий корпус, источник излучения, электронный измерительный блок, источник питания и управляющую ЭВМ, предназначенную для сбора и обработки результатов испытаний, отличающийся тем, что датчик размещен внутри герметичной камеры, подключенной к вакуумному насосу и содержащей окно для прохода лучей рентгеновского или оптического диапазона от источника излучения, размещенного напротив окна, коллектор датчика подключен к электронному блоку обработки информации, поступающей с датчика, а последний связан с управляющей ЭВМ, позволяющей определять параметры функционирования детектора и управлять работой источника питания и источником излучения.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что давление внутри герметичной камеры составляет не менее 10^-5 мм рт.ст.

3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что в окне для прохода лучей размещена бериллиевая пластина.