СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК Советский патент 1994 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к ядерному приборостроению, точнее касается сцинтилляционных счетчиков, регистрирующих радиоактивное излучение с использованием жидкого сцинтиллятора.

Изобретение может применяться в приборах, предназначенных для исследований в физико-химической биологии и биотехнологии, экспериментальной медицине, геологии и гидрологии, в работах по охране окружающей среды, а также в других отраслях техники, в которых используются радионуклиды, в особенности тритий и углерод 14.

Целью изобретения является упрощение соотношения полезного сигнала к фону.

На фиг. 1 приведена структурная схема сцинтилляционного счетчика; на фиг. 2 - структурные схемы формирователя временных интервалов со схемой разрешения запрета устройства режекции, устройства для анализа частоты следования импульсов и устройства временной селекции.

Сцинтилляционный счетчик содержит фотоэлектронные умножители (ФЭУ) 1 и 2 (фиг. 1), помещенные в светонепроницаемую камеру 3 измерений. Прозрачный контейнер 4 с жидким сцинтиллятором и исследуемым образцом помещен между фотокатодами ФЭУ 1 и 2. Измеряемые сигналы с выходов ФЭУ 1 и 2 поступают на входы схемы 5 совпадений и сумматора 6, подключены соответственно к управляющему и рабочему входу линейного ключа 7, а его выход связан с входом амплитудного анализатора 8. Выход амплитудного анализатора 8 связан с входом устройства 9 режекции и с первым входом устройства 10 для анализа частоты следования импульсов. Выход защитного детектора 11 для защиты камеры измерения с фотоэлектронными умножителями от внешнего радиоизлучения связан с входом подтверждения запрета схемы 12 разрешения запрета, сигнальный вход которой связан с выходом схемы 5 совпадения, а выход обозначен позицией 13. Управляющий вход устройства 9 режекции и управляющий вход схемы 12 разрешения запрета подключены к первому выходу устройства 10 для анализа частоты следования импульсов, а к второму его выходу подключен установочный вход управляющего триггера 14, на вход сброса которого по цепи 15 поступает сигнал "Стоп-счет". Выход схемы 12 разрешения запрета связан цепью 13 через формирователь 16 временных интервалов запрета с первым входом (входом запрета) устройства 17 для временной селекции измеряемых сигналов, два других его входа подключены соответственно к выходу устройства 9 режекции и выходу управляющего триггера 14, а выход является выходом сцинтилляционного счетчика 18. По цепи 19 осуществляется запуск измерительной системы.

Выходы схемы 5 совпадений амплитудного анализатора 8, детектора 11 связаны соответствующими цепями 21, 20 и 22 фиг. 1, 2 с входами устройства 9, 10, 12, обеспечивающих подавление сигналов помех в сцинтилляционном счетчике.

Устройство 10 для анализа частоты следования импульсов содержит первый счетчик 23 (фиг. 2) для накопления импульсов, поступающих с амплитудного анализатора 8 через первый вентиль И 24 на его вход, второй счетчик 25, подключенный через второй вентиль И 26 к выходу генератора тактовой частоты 27. Выходы счетчиков 23 и 25 подключены к входам первого триггера 28, предназначенного для хранения результата анализа частоты следования импульсов, и через схему ИЛИ 29 - к входу S управляющего триггера 14 и к входу R второго триггера 30, выход которого подключен к управляющим входам вентилей 24, 26. Выход триггера 28 подключен к управляющим входам вентилей 24 и 26. Выходы триггера 28 подключены к входам вентилей 31, 32, 33 устройства 9 режекции и схемы 12 разрешения запрета 12.

Устройство 9 режекции содержит схему И 31, вторую схему ИЛИ 32, первый триггер 34, счетчик 35, первую схему ИЛИ 36 и второй триггер 37 (фиг. 2), причем счетный вход триггера 34 подключен к основной измерительной цепи 20 и к входу схемы ИЛИ 36, а его выходы соединены с входом вентиля И 31 и входом R счетчика 35, первый выход которого подключен к входу R триггера 34 и входу R триггера 37. Второй выход счетчика 35 подключен через вентиль ИЛИ 32 к входу S триггера 37, а счетный вход счетчика 35 связан с выходом генератора тактовой частоты 27, задающего временной интервал запрета и необходимую задержку сигналов во времени. Триггер 34, схема И 31 и счетчик 35 образуют формирователь длительности импульсов, который может быть выполнен и по другой конкретной схеме. Элемент ИЛИ 32 и триггер 37 образуют элемент временной задержки.

Формирователь 16 временных интервалов запрета содержит триггер 38, счетчик 39 и вентиль И 40, выход которого связан с входом R триггера 38. Выход триггера 38 связан с входом R счетчика 39, счетный вход которого подключен к генератору 27 тактовой частоты. С выхода вентиля И 33 сигналы запрета поступают на счетный вход триггера 38.

Устройство 17 для временной селекции измеряемых сигналов состоит из трехвходового вентиля И 14, входы которого соответственно подключены к выходам триггера 14, схемы ИЛИ 36 и триггера 38, а его выход связан с входом регистрирующего устройства по цепи 18. Вход R триггера 14 и входы R счетчиков 23, 25 связаны с цепью 15 "Стоп-счет".

Сцинтилляционный счетчик работает следующим образом. В исходном состоянии устройство 17 для временной селекции измеряемых сигналов закрыто и сигналы не поступают в регистрирующее устройство по цепи 18, так как выход управляющего триггера 14 находится в состоянии низкого логического уровня. Исследуемый образец смешанный с жидким сцинтиллятором, находится в прозрачном контейнере 4, который помещается между фотокатодами ФЭУ 1 и 2 в светонепроницаемую камеру 3 измерений, причем камера 3 измерений окружена детектором 11, защищающим ее от внешнего радиоизлучения.

Вспышки света сцинтилляции, возникающие в жидком сцинтилляторе под действием частиц исследуемого радионуклида (например, трития), преобразуются ФЭУ в электрические импульсы, амплитудное распределение которых соответствует энергетическому спектру излучаемых частиц. Кроме того, на выходе каждого ФЭУ появляются импульсы термошумов ФЭУ, статистически распределенные во времени, импульсы ионно-оптической обратной связи и импульсы от внешнего радиоизлучения (космическое излучение). Эта смесь импульсных сигналов поступает с выходов ФЭУ на входы схемы 5 совпадений, которая подавляет импульсы термошумов ФЭУ, пропуская на свой выход только случайно совпавшие во времени сигналы и полезные сигналы, возникающие от сцинтилляций. Кроме того, эти сигналы поступают на вход сумматора 6 амплитуды импульсов, который смещает импульсы от сцинтилляций в область больших амплитуд по отношению к амплитудам импульсов термошумов и тем самым улучшает эффективность последующего амплитудного анализа. С выхода сумматора 6 амплитуд сигналы поступают на линейный ключ 7, к управляющему входу которого подключен выход схемы 5 совпадений. На выходе амплитудного анализатора 8 (в простейшем случае - дискриминатор) полезные сигналы от сцинтилляций появляются в значительной мере очищенными от сигналов помех, которые удалось заблокировать методом амплитудно-временной селекции, но сигналы помехи ионно-оптической обратной связи между ФЭУ еще присутствуют в импульсной последовательности полезных и фоновых сигналов сцинтилляционного счетчика. С выхода амплитудного анализатора 8 эти сигналы поступают в устройство 9 режекции, которое предназначено для подавления сигналов ионно-оптической обратной связи путем блокирования измерительного тракта счетчика на некоторое время после появления на ее входе какого-либо импульсного сигнала, причем время блокировки выбирается большим, чем время развития и окончания процессов ионного характера. Однако этой устройство действует только тогда, когда интенсивность потока полезных сигналов мала и сравнима с уровнем фона, так как в этом случае точность измерений и чувствительность определяются в значительной мере фоном прибора, и его необходимо уменьшать. Наоборот, при больших интенсивностях потока полезных сигналов, когда точность измерений определяется статистическими флуктуациями, а уровень фона по сравнению с ними пренебрежительно мал, устройство режекции 9 отключается. Для этого исследуемые сигналы поступают с выхода амплитудного анализатора 8 на вход устройства 10 для анализа частоты следования импульсов, которое управляет работой устройства режекции 9 и схемой 12 разрешения запрета (в простейшем случае - схема И) - включает и отключает их в зависимости от интенсивности потока полезных сигналов на выходе амплитудного анализатора 8. Пуск устройства 10 осуществляется по цепи 19 фиг. 1, 2. Этот сигнал поступает на вход S триггера 30 и переключает его выход в состояние высокого уровня. Вентили 24 и 26 открываются, полезные сигналы и сигналы генератора 27 тактовой частоты начинают поступать соответственно в счетчики 23 и 25. Анализ частоты следования импульсов заканчивается, как только один из счетчиков 23 и 25 переполнится. Выходы счетчиков связаны с входами R и S триггера 28 и также через схему ИЛИ 29 с входом S триггера 14, и появление сигнала переполнения на выходе счетчика 23 или 25 вызывает установку триггера 28 в состояние, соответствующее частоте следования полезных сигналов. Если частота следования полезных сигналов меньше тактовой частоты генератора, то уровень на выходе триггера 28 устанавливается высокий, тем самым открывает вентили 31, 33 и переводит сцинтилляционный счетчик в низкофоновый режим работы. В другом случае вентили 31 и 33 закрыты. Кроме того, сигнал переполнения, появившийся на выходе какого-либо из счетчиков 23 или 25, вызывает переключение триггера 39 в состояние "Стоп" и триггера 14 - в состояние высокого уровня, при этом вентиль 41 открывается и поступающие на его входы сигналы проходят на регулирующее устройство по цепи 18. Далее целесообразно рассматривать два случая регистрации - когда интенсивность потока полезных сигналов меньше тактовой частоты генератора и когда она больше этой частоты. В первом случае указанные вентили 31 и 33 открыты, устройство режекции 9 и формирователь 16 временных интервалов запрета формируют соответствующие сигналы блокировки для подавления пачек импульсов ионно-оптической обратной связи. Появление на счетном входе триггера 34 импульсов вызывает его переключение в состояние высокого уровня, который через вентиль И 31 и схему 36 поступает на вход вентиля 41, а инверсный выход триггера 34 сбрасывает счетчик 35 и дает сигнал разрешения. В этом состоянии триггер 34 находится до тех пор, пока не переполнится счетчик 35, на счетный вход которого поступают импульсы с генератора тактовой частоты 27. За счет этого осуществляется блокировка всех послеимпульсов, которые могут следовать за этим сигналом, так как сигнал в цепи 20 оказывается значительно короче, чем сигнал, сформированный триггером 34 и счетчиком 35, причем длительность этого сигнала больше возможной длительности пачки, образованной этим импульсом. Устройство регистрации по цепи 18 зарегистрирует этот входной сигнал по его переднему фронту, а время интервала запрета (разрешающее время измерительного тракта) закончится после появления импульса переполнения на выходе счетчика 35, который переключит триггер 34 в исходное состояние.

Таким образом, подавление сигналов помехи ионно-оптической природы осуществляется путем увеличения длительности поступающих сигналов и после импульсы, которые следуют за сигналами, оказываются поглощенными этим большим по длительности сигналом. Задержка появления переднего фронта сигналов на входе вентиля 41 обеспечивается за счет триггеров 37, вход S которого подключен через схему ИЛИ 23 к выходу одного из младших разрядов счетчика 35, а вход R - к выходу старшего его разряда.

Подавление сигналов помехи, возникающих от внешнего излучения, осуществляется следующим образом.

Детекторы 11 регулируют частицы или кванты, пересекающие его рабочую область, но сигналы запрета формируются только в том случае, когда события, вызвавшие их, зарегистрированы схемой совпадений 5 и детектором 11 в пределах какого-либо интервала времени. Для этого сигналы с детектора 11 и с выхода схемы совпадений 5 поступают на выходы вентиля И 33, имеющего вход управления, связанный с выходом триггера 28. Эти сигналы поступают на вход формирователя 16 временных интервалов запрета, содержащего триггер 38, счетчик 39, счетный вход которого связан с генератором тактовых сигналов 27, и вентиль 40. Формирование временных интервалов запрета осуществляется на том же принципе, что и формирование описанного формирователя устройства 9 режекции, но с той разницей, что этот формирователь формирует импульсы большей длительности, чем формирователь устройства 9 режекции. Это связано с тем, что появление импульса помехи в измерительном тракте сцинтилляционного счетчика, вызванного регистрацией внешнего излучения, должно быть полностью блокировано, включая сам импульс помехи и возможные послеимпульсы (образование пачек). Сигналы помехи в этом случае появляются практически одновременно на входах 20, 21, 22. При этом схема 12 разрешения запрета, формирователь 16 временных интервалов запрета полностью блокирует прохождение сигналов в регистрирующее устройство 18, так как сигнал запрета поступает на вход вентиля 41 раньше, чем тот же сигнал с амплитудного анализатора 8, а заканчивается позже сигнала, формируемого устройством 9 режекции.

По сигналу "Стоп-счет", действующему по цепи 15 на вход триггера 14, вентиль 41 закрывается, на регистрирующее устройство 18 сигналы не поступают и измерение исследуемого образца заканчивается, а счетчики 23 и 25 устанавливаются в исходное состояние.

Во втором случае, когда интенсивность потока полезных сигналов выше, чем частота генератора тактовой частоты 27, вентили 31, 33 (фиг. 2) закрыты, действие устройства 9 режекции и схемы 12 разрешения запрета блокированы, а импульсы от исследуемого образца через схему ИЛИ 36 без увеличения их длительности поступают в регистрирующее устройство по цепи 18.

Введение в сцинтилляционный счетчик устройства для анализа частоты следования импульсов в совокупности с управляемым устройством режекции и детектором для защиты камеры измерения с ФЭУ от внешнего радиоизлучения совместно со схемой разрешения запрета и формирователем временных интервалов запрета позволило уменьшить собственный фон сцинтилляционного счетчика за счет подавления сигналов помехи ионно-оптической обратной связи, сохранив при этом диапазон изменения интенсивности измеряемых сигналов в его измерительном тракте от единиц до десятков импульсов в секунду без сколько-либо значимых потерь в счете. За счет этого повышена чувствительность сцинтилляционной счетчика и точность определения уровня радиоактивности исследуемых образцов с малой, близкой к фоновой интенсивностью излучения.

(56) И. И. Ломоносов и др. Измерение трития, М. : Атомиздат, 1968, ст. 101-105.

С. С. Ветохин и др. Одноэлектронные фотоприемники, М. : Атомиздат, 1979, с. 35-42.

Авторское свидетельство СССР N 807807, кл. G 01 T 1/20, 1983.

1. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК, содержащий оптически связанные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), находящиеся в светонепроницаемой камере измерения в оптическом контакте с исследуемым образцом, причем выходы ФЭУ соединены с входами схемы совпадения и сумматора амплитуд импульсов, выходы которых соединены соответственно с управляющим и информационным входами линейного ключа, выход которого соединен с входом амплитудного анализатора, а также устройство реакции, отличающийся тем, что, с целью улучшения соотношения полезного сигнала и фона, в него введены устройство для анализа частоты следования импульсов, детектор защиты камеры измерения, схема разрешения запрета, формирователь временных интервалов запрета, управляющий триггер и устройство временной селекции, причем выход амплитудного анализатора подключен к входу устройства режекции и к первому входу устройства для анализа частоты следования импульсов, второй вход которого является входом "Пуск" сцинтилляционного счетчика, первый выход устройства для анализа частоты следования импульсов подсоединен к входам управления схемы разрешения запрета и устройства режекции, а его второй выход - к входу установки управляющего триггера, вход сброса которого и третий вход устройства для анализа частоты следования импульсов подключены к входу "Стоп" сцинтилляционного счетчика, вход подтверждения запрета схемы разрешения запрета подключен к выходу детектора защиты камеры измерения, ее сигнальный вход - к выходу схемы совпадений, а выход - к входу формирователя временных интервалов запрета, выход которого подключен к первому входу - входу "Запрет" - устройства временной селекции, второй вход которого подключен к выходу устройства режекции, а третий вход - к выходу управляющего триггера, выход устройства временной селекции является выходом сцинтилляционнного счетчика. 2. Счетчик по п. 1, отличающийся тем, что устройство для анализа частоты следования импульсов содержит первый счетчик для накопления импульсов, поступающих с амплитудного анализатора, второй счетчик для накопления импульсов, поступающих с генератора тактовой частоты, первый триггер для хранения результата анализа частоты следования импульсов, второй триггер для управления анализатором, первую и вторую схемы И и схему ИЛИ, причем выходы первой и второй схем И подключены соответственно к входам первого и второго счетчиков, выходы которых связаны соответственно с S и R-входами первого триггера и с входами схемы ИЛИ, R-вход второго триггера подключен к выходу схемы ИЛИ, а его выход связан с первыми входами первой и второй схемы И, вторые входы которых подключены соответственно к выходу амплитудного анализатора и выходу генератора тактовой частоты, причем S-вход второго триггера связан с цепью "Пуск", R-входы первого и второго счетчиков связаны с цепью "Сброс", а выходы первого триггера и схемы ИЛИ являются выходами устройства для анализа частоты следования импульсов, связанными соответственно с управляющими входами устройства режекции и схемы разрешения запрета и с входом управляющего триггера. 3. Счетчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что устройство режекции состоит из формирователя длительности импульсов, первой схемы ИЛИ и элемента временной задержки, причем формирователь длительности импульсов содержит первый триггер, счетчик импульсов и схему И, инверсный выход первого триггера подключен к R-входу счетчика, счетный вход которого связан с выходом генератора тактовой частоты, а первый выход - с R-входом первого триггера, прямой выход первого триггера подключен к первому входу схемы И, выход которой подключен к первому входу первой схемы ИЛИ, второй вход которой связан со счетным входом триггера и выходом амплитудного анализатора, второй вход схемы И связан с выходом первого триггера устройства для анализа частоты следования импульсов, выход схемы ИЛИ подключен к второму входу устройства для временной селекции измеряемых сигналов, а элемент временной задержки содержит вторую схему ИЛИ и второй триггер, причем первый вход второй схемы ИЛИ подключен к второму входу схемы И, второй вход - к второму выходу счетчика, выход второй схемы ИЛИ связан с S-входом второго триггера, R-вход которого подключен к первому выходу счетчика, а его выход - к третьему входу схемы И.