Способ стабилизации энергетической шкалы гамма-спектрометра при регистрации естественного гамма-излучения Российский патент 2025 года по МПК G01T1/40 

Изобретение относится к геофизике, конкретно к способу стабилизации спектра естественного гамма-излучения. Спектр естественного гамма-излучения по излучению элементов ряда урана, тория и излучению изотопа калия позволяет определить содержание в породах этих элементов, например, при наземной или авиасъемке.

Известны различные способы как привязки шкалы зарегистрированных спектров с последующей математической обработкой, так и аппаратной стабилизации спектра в процессе регистрации.

Известен способ [1] стабилизации спектра при проведении литоплотностного каротажа с использованием пика от источника гамма-излучения Cs-137 с энергией 662 кэВ и пика характеристического излучения бария 32 кэВ, содержащегося в порошке, окружающего детектор гамма-излучения. После определения положения пиков в каналах затем при обработке по двум точкам производят математическую привязку шкалы. Недостаток – необходимость использования при регистрации естественного гамма-излучения отдельного реперного источника и отсутствие привязки в жесткой части спектра.Известен способ [2] стабилизации спектра естественного гамма-излучения по резкому спаду спектра естественного гамма-излучения выше энергий 2,6 МэВ, отклонение точки этого спада от заранее выбранного положения приводит к выработке корректирующего сигнала, меняющего чувствительность тракта спектрометра (коэффициент передачи). Недостаток – стабилизация спектра только по одной точке и влияние начального сдвига энергетической шкалы.

Известен способ [3] стабилизации энергетической шкалы по пикам гамма-излучения, возникающих в процессе распада альфа-излучателя в плутоний-бериллиевом источнике нейтронов. Пики возникают при взаимодействии нейтронов с углеродом (4,44 МэВ, 3,93 и 3,42 МэВ) и марганцем (834 кэВ), а в мягкой части спектра регистрируется пик с энергией 59,5 кэВ, испускаемый изотопом ряда плутония Am-241. Также регистрируется пик аннигиляции позитронов 0,511 МэВ. До начала штатного измерения определяют положение пиков полного поглощения излучения используемого контрольного источника на энергетической шкале спектрометра и производят построение зависимости положения номера канала спектрометра от энергии гамма-излучения в диапазоне энергий от 59,5 кэВ до 4,44 МэВ. Результаты зависимости заносят в память компьютера в качестве эталонной зависимости. Затем, при работе со спектрометром, производят сравнение положения пиков полного поглощения от исследуемого излучения с положением пиков полного поглощения от эталонной зависимости и при обнаружении расхождения корректируют положение пиков, изменяя коэффициент усиления. Недостатком данного метода является необходимость разделения по времени процессов калибровки и измерения (так как спектр образцового источника перекрывает спектр измеряемого излучения) и отсутствие раздельной компенсации смещения нулевого канала и коэффициента передачи усилительного тракта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ стабилизации масштаба энергетической шкалы сцинтилляционного гамма-спектрометра [4] , заключающийся в том, что стабилизация спектра осуществляется с помощью световых импульсов, подаваемых на фотокатод ФЭУ, при этом положение этих импульсов в регистрируемом спектре поддерживается постоянным. Суть способа состоит в автоподстройке коэффициента передачи измерительно-преобразовательного тракта таким образом, чтобы соответствующая световому импульсу амплитуда (код) импульса на выходе измерительно-преобразовательного тракта была постоянной. Кроме того, одновременно осуществляется регистрация числа импульсов, попадающих в энергетические окна, расположенные по шкале энергий справа и слева от пиков спектра естественного гамма-излучения Е1 = 2,62 МэВ (таллий-208), Е2 = 1,76 МэВ (висмут-214) и Е3 = 1,46 МэВ (калий-40). Сопоставляют между собой суммы скоростей счета всех "левых" и всех "правых" измерительных каналов. Суммирование производится с учетом весовых коэффициентов (Р_i), причем P_E1 > P_E2 >. . . > >P_En, где Е₁ > Е₂ >. . . > Е_n. Регулируют амплитуду импульсов светодиода таким образом, чтобы сопоставляемые суммы были равны. Недостаток способа заключается в регулировании только общего коэффициента передачи без учета возможного смещения нулевого канала.

Целью изобретения является обеспечение стабильности энергетической шкалы гамма-спектрометра без использования световых импульсов, опорных источников гамма-излучения и с коррекцией как масштаба, так и начального смещения энергетической шкалы.

Цель достигается тем, что регистрируется интенсивность счета в четырех энергетических окнах, первые два окна расположены на левой и правой части фотопика изотопа K-40 1,46 МэВ, еще два окна расположены на левой и правой части фотопика Tl-208 2,62 МэВ. При стабилизированном положении аппаратного спектра в паре окон на пике K-40 (окна 1 и 2, слева направо) интенсивность импульсов в среднем одинакова. То же самое касается пары окон на пике Tl-208 (окна 3 и 4). При изменении общего коэффициента преобразования регистрирующего тракта (от поглощенной детектором энергии гамма-кванта до номера канала на выходе АЦП) будет меняться масштаб энергетической шкалы. При этом уход пика K-40 будет меньше, чем пика Tl-208, пропорционально их энергиям. При смещении начальной точки энергетической шкалы смещение обоих пиков будет одинаковым. Поддержание стабильного масштаба и начального смещения энергетической шкалы достигается тем, что при появлении неравенства в счете в окнах 3 и 4 вырабатывается управляющий сигнал, воздействующий на коэффициент преобразования регистрирующего тракта (например, путем изменения напряжения питания ФЭУ), а при появлении неравенства в окнах 1 и 2 производится коррекция начального смещения энергетической шкалы, например, математическим путем при формировании спектра в бортовом программируемом контроллере. Так как эти операции оказывают друг на друга взаимное влияние, то они или производятся поочередно, или с разным периодом. В конечном счете после ряда итераций спектр приводится к исходному стабилизированному виду.

На Фиг. 1 показан пример работы полевого носимого гамма-спектрометра, использующего предлагаемый способ стабилизации энергетической шкалы. Фиг. 1а – температура кристалла спектрометра в десятых долях градусов Кельвина. В начале полевого маршрута температура равна 18,5°С, в конце 11°С. На Фиг. 1б показано изменение начального сдвига в каналах, стабилизируемого по положению пика 1,46 МэВ. Время накопления в окнах 1 и 2 составляло 90 секунд. После накопления производится сдвиг спектра на фиксированную величину в зависимости от того, в каком окне сумма накопленных импульсов больше. На Фиг. 1в показано изменение управляющего числа для высоковольтного преобразователя. Решение об изменении управляющего числа производится после накопления импульсов в окнах 3 и 4 в течение 60 секунд. Аналогично алгоритму действий при коррекции начального смещения принимается решение об изменении управляющего величиной высоковольтного напряжения питания ФЭУ числа на фиксированную величину в зависимости от того, в каком из окон 3 и 4 счет больше. Накопление импульсов в окнах 1 – 4 и принятие решения о коррекции энергетической шкалы осуществляется бортовым процессором, действующим по программе. По горизонтальной оси на Фиг. 1 отложено время в секундах.

На Фиг. 2 показан спектр гамма-излучения в начале и конце маршрута. Видно, что, несмотря на изменение температуры, пики 1,46 и 2,62 МэВ находятся в неизменном положении.

Литература

1. Патент РФ 2 722 863 C1. Способ стабилизации энергетической шкалы при определении объемной плотности и эффективного атомного номера горных пород методом ГГК-ЛП. Опубликовано: 04.06.2020 Бюл. № 16

2. Патент РФ 2 364 892 C1. Способ стабилизации чувствительности сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения. Опубликовано: 20.08.2009 Бюл. № 23

3. Патент РФ 2 366 979 C1. Способ стабилизации энергетической шкалы многоканальных сцинтилляционных спектрометров гамма-излучения. Опубликовано: 10.09.2009 Бюл. № 25

4. Патент РФ 2 008 703 C1.  Способ стабилизации масштаба энергетической шкалы гамма-спектрометра.

Изобретение относится к области геофизики. Способ стабилизации масштаба энергетической шкалы гамма-спектрометра при регистрации естественного гамма-излучения содержит этапы, на которых осуществляют выделение четырех энергетических окон на склонах пиков естественного гамма-излучения 2,62 МэВ и 1,46 МэВ, определение сигнала рассогласования из попарного сравнения окон на склонах каждого пика и аппаратную привязку во время регистрации по этим двум пикам как начального сдвига, так и масштаба энергетической шкалы. Аппаратная привязка производится непрерывно во время регистрации спектров и для коррекции масштаба энергетической шкалы осуществляется путем изменения коэффициента преобразования регистрирующего тракта, а для коррекции начального сдвига путем внесения поправки в номер канала при регистрации. Технический результат заключается в обеспечении стабильности энергетической шкалы гамма-спектрометра без использования световых импульсов, опорных источников гамма-излучения и с коррекцией как масштаба, так и начального смещения энергетической шкалы. 2 ил.

Способ стабилизации масштаба энергетической шкалы гамма-спектрометра при регистрации естественного гамма-излучения, заключающийся в том, что измеряют скорости счета импульсов в измерительных каналах, соответствующих энергетическим интервалам гамма-спектра, расположенным справа и слева от каждой из двух или более спектральных линий гамма-излучения естественных радиоактивных элементов, сопоставляют скорости счета левых и правых измерительных каналов для каждой спектральной линии, отличающийся тем, что для коррекции начального смещения шкалы используют результат сопоставления левого и правого каналов для спектральной линии с меньшей энергией, причем коррекция начального смещения шкалы осуществляется математической обработкой с помощью бортового контроллера, а для коррекции общего коэффициента преобразования измерительного тракта используют результат сопоставления левого и правого каналов для пика с большей энергией, причем коррекция общего коэффициента преобразования осуществляется с помощью управляемого контроллером источника высоковольтного питания ФЭУ.