Однокристальный спектрометр Советский патент 1989 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к регистрации радиоактивного излучения, в частности к ядерной спектрометрии, И предназначено для одновременного определения времени жизни и энергии нескольких метастабильных состояний в короткоживущих радиоактивных изотопах.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и увеличеНие производительности труда путем введения многомерного анализа.

На фиг. 1 изображена блок-схема спектрометра; на фиг. 2 - осциллограммы выходных сигналов в соответствии с блок-схемой спектрометра; на фиг, 3 - схема распада радиоактивного нуклида, исследуемого на присутствие метастабильных состояний; на фиг. 4 - физические спектры гамма-излучения, полу3151

чаемые на сцинтилляционном спектрометре с использованием пластического сцинтиллятора;

Схема устройства спектрометра (фиг, 1) содержит сцинтилляционный или полупроводниковый детектор, ионизационный детектор или любой другой детектор 1, верхний дифференциальный дискриминатор 2, нижний дифференци- альныц дискриминатор 3, схему 4 совпадений, стоповую линию 5 задержки, линию 6 задержки, линейную схему 7 пропускания, время-амплитудный преобразователь 8, блок 9 обработки, явля- ющийся стандартным блоком и включающий крейт 10, содержащий стандартные амплитудно-цифровые преобразователи

(КОДИРОВ 1;НКИ) 11 И 12, ГОДОСКОП 13,

стандартный блок 14 связи с ЭВМ.

На фиг. 1 позициям 15 - 22, обо- значенным точками, соответствуют эпюры, представленные на фиг. 2.

На фиг. 3 позициями 23 - 27 обозначены гамма-переходы в схеме распа- да исследуемого радиоактивного нуклида.

На фиг. 4 позициями 28 - 33 обозначены физические спектры, получаемые на спектрометре, а позициям 23 - 27 соответствуют гамма-переходы схемы распада- (фиг. 3).

Конструктивно элементы устройства расположены в порядке, определяемом схемой их соединения: сцинтилляциОн- ный детектор 1, расположенный в месте детектирования радиоактивного излучения, соединен кабелем с дискриминаторами 2 и 3 и линией 6 задержки. Остальные блоки электроники также соеди нены между собой согласно схеме- (фиг, 1) кабелями. Все блоки электроники находятся в стойке электронной аппаратуры.

Спектрометр работает следующим об- разом.

о При облучении детектора гамма, бета или любым другим видом излучения от радиоактивного препарата возникают импульсы, коррелированные во времени мгновенные совпадения и задержанные совпадения, обусловленные соответствующими метастабильньми состояниями, В зависимости от типа используемого детектора диапазон измеряемых времен лежит в пределах от и до нескольких микросекунд. Импульсы, образуемые в пластическом сцинтилляторе (время высвечивания не более 1,5 не)

сцинтилЛяцио нного детектора с фотоэлектронного умножит(У1Я 1 (время на- растания фронта 2 не), поступают на входы дифференциальных дискриминаторов 2 и 3 (мертвое время дифференциальных дискриминаторов 20 не) и через линию 6 Задержки на импульсный вход линейной схемы 7 пропуска. НИН, основная задача которой заключается в преобразовании коротких амплитудных импульсов со с.цинтилляцион- ного детектора (t импульса 7 не) в длинные импульсы ( мкс), которые поступают на вход блока обработки. Линия 6 задержки необходима для временного согласования сигнала управления, поступающех о со схемы 4 совпадений, и задержанного амплитудного сигнала с выхода сцинтилляцион- ного детектора. Импульсы с выходов дискриминаторов 2 и 3 поступают на входы схемы 4 совпадений, а также с дискриминатора 3 нижнего порога через стоповую линию 5 задержки импульсы поступают на вход Стоп время-амплитудного преобразователя 8. Основное,, назначение схемы совпадений - выделить сигналы, совпадающие в пределах разрешающего времени схемы совпадений, а также уменьшить импульсную загрузку ПО входу Старт время-амплитудного преобразователя. Если импульсы совпали, то схема совпадений вьща- ет импульс, который поступает, .на вход Старт преобразователя время-амплитуда. Этот сигнал также поступает на управляющий вход линейной схемы 7 пропускания, которая работает в режиме внешнего управления. Короткий сигнал со сцинт.илляционного детектора через линию 6 задержки поступает на сигнальный вход линейной схемы 7 пропускания и при наличии сигнала на управляющем, входе линейной схемы 7 пропускания проходит на выход схемы 7. Таким образом, на выходе схемы 8 имеется спектр электрических импульсов, отражающих временное распределение гамма-квантов, испускаемьк из радиоактивного источника, а на выходе схемы 7 - спектр электрических импульсов, отражающих энергетическое распределение гамма-квантов, испускаемых радиоактивным нуклидом и связанных с метастабильными состояними в яцре. Таким образом, при излучении радиоактивного нуклида на предлагае- мбм спектрометре метастабильные сое51

тояния Ядра в отличие от известного характеризуются, кроме временного спектра, также энергетическим спектром, т.е. гамма-кванты, каких энергий, связаны с разрядкой метастабиль- ных состояний.

Временной и энергетический спект- ры импульсов подаются на устройство 9 обработки, амплитудно-цифровые пре- образователи 11 и 12, находящиеся в крейте 10, преобразуют амплитудные распределения в цифровые , которые через магистраль крейта 10 с помощью блока 14 связи крейта с ЭВМ пе- редаются в ЭВМ и записываются на мат - нитную ленту двоичным кодом в виде шестнадцати разрядных слоев. Каждый факт совпадений, т.е. каждое событие, сопровождается наличием информации в двух блоках 11 и 12 устройства обработки. Чтобы разделить регистрируемые события, т.е. разделить пары слов друг от друга при записи на магнитную ленту, одновременно с записью инфор- мации с кодировищков, также списывается постоянный код с годоскопа 13, которьй и служит -границей, разделяющей события, записанные на магнитную ленту ЭВМ. Скорость считывания инфор- мации через интерфейсный блок 14 равна 5 акс на одно шестнадцатиразрядное слово, т.е. на каждый блок 11 и 12. Кодировщики 11 и 12 кодируют физическую информацию в двенадцати разрядах, в остальные четыре разряда заносится информация, позволяющая отличить временной кодировщик - блок 12 от энергетического - блок 11 в процессе сортировки и обработки информации после эксперимента. Максимальное мертвое время кодировш 1ков составляет 40 мкс. Так как информация из крейта передается по три слова, то время считывания равно 5 МКС X 3 15 мкс. Вместе с мертвым временем кодировш 1ков это мертвое время составляет 60 мкс.

Рассмотрим импульсные диаграммы 15-22 (фиг. 2), отражающие работу спектрометра. На осциллограммах (фиг. 2) показаны внутренние задержки блоков, обусловленные прохождением и преобразованием сигналов в блоках. Задержки в дифференциальных дискриминаторах (фиг. 2, позиции 16 и 17) обозначены как д t и & t,. Для однотипных дискриминаторов они равны. Задержка схемы совпадений и .дискриминаторов равна it (фиг. 2, позиция 18). На 076

позиции 15 (фиг. 2) показаны два сиг - нала, поступившие в пределах разрешающего времени схемы совпадений с выхода сцинтилляционного детектора. На позипд-1ях 16 и 17 показано, что на выходах верхнего 2 и нижнего 3 дифференциальных дискриминаторов возникли два логических коротких -сигнала. Они поступили на входы схемы 4 совпадений и схема 4, разрешающее время которой равно At, выдала сигнал (позиция 18). Сигнал с выхода схемы совпадений должен соответствовать или быть несколько больше длительности анализируемого амплитудного сигнала. Этот импульс подается на вход Старт время-амплитудного преобразователя. Via позин 1и 19 показано, что сигнал

с нижнего дифферен1диального дискриминатора 3 через линию 5 задержки блока величиной Т подается на вход Стоп схемы-8. На пози1дии 20 показан сигнал-со схемы В, амплитуда которого линейно зависит от временного интервала между стартовым и стоповым импульсами.

На позигдаи 21 показано, как работает блок 6 (фиг. 1)э который является линией задержки. Величина задержки блока 6 должна , гдeДtJ- задержка. схемы совпадений и диф4зерен- циальных дискриминаторов (фиг. 2, позиция 18). На позиции 22 (фиг. 2) показано, как происходит линейное пропускание задержанного амплитудного сиг нала блоком 7 (фиг. 1). Разрешающее время схемы совпадений выбирается из физических соображений, оно должно быть не менее ЗС, где ( - период полураспада метастабильного состояния ,

т.е.

с

. 2, позиция 15).

Физическая задача, для решения которой предназначен спектрометр, заключается в следующем. Необходимо произвести поиск и идентификацию нано- секундных и микросекундных изомеров (метастабильных состоя ний) в коротко- живущих радиоактивньк изотопах и определить энергию уровня, с-которого идет задержанное излучение. В ходе эксперимента на предлагаемом спектрометре анализируется изменение скорости счета совпадений во времени в зависимости от энергии излучений, вьще- ляемых в каналах спектрометра дискриминаторами. Выделяя с помощью дискриминаторов спектрометра энергетичес

кий интервал ядерного излучения в стартовом и стоповом каналах в зависи мости от наличия в изучаемом радиоактивном нуклиде иетастабильных состояний, получаю сумму кривых задержанных совпадений (КЗС).

На схеме распада радиоактивного нуклида (фиг. 3), исследуемого на присутствие метастабильных состояний позициями 23 - 27 обозначены пять гамма-переходов в ядре. Допустим, что в схеме распада радиоактивного нуклида имеются два метастабильных состояния с периодом полураспада и, и f , при- чем j 1, .Спектр гамма-излучения радиоактивного Нуклида при регистрации на сцинтилляционном детекторе с пластическим сцинтиллятором схематично представлен и на фиг. 4 (позиция 28), где наблюдаются соответственно пять перегибов, соответствующих краям комптоновских распределений гамма-переходов. Данный спектр наблюдается в точке, обозначенной позицией 15. Волнистой линией в гамма-спектре по- (казаны нижняя часть спектра, вьщеляе- мая нижним дифференциальным дискрими л натором - блок 3j и верхняя часть спектра, вьщеляемая верхним дифференциальным дискриминатором - блок 2 (фиг, 1). Далее показан спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29), который получается на выходе схемы 7 (фиг 1), т,е. на выходе линейных ворот, управляемых схемой совпадений - блок 4, Так как в стоповом канале стоит нижний дифференциальный дискриминатор, то спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29) находится в пределах окна, вьщеляемого нижним дифференциальным дискриминатором, а хвост кривой задержанных совпадений тянется влево (фиг. 4, позиция 30) .

В зависимости от физической зада- и в стоповом канале может вьщеляться вместо нижней верхняя часть энергетического спектра, а в стартовом канале блок 2 (фиг. 1) может вьщелять нижнюю часть энергетического спектра. Это зависит от того, какие гамма-лучи - низкоэнергетические или высокоэнергетические, заряжают и разряжают мета- стабильное состояние.. Этот вопрос решается до эксперимента, исходя из того,, какие по энергии гамма-перехо

ды заряжают и разряжают метастабиль- ные состояния в ядре, В ходе опыта

0

0

5

f

0

5

0

5

0

5

необходимо получить стоповые задержанные гамма-лучи, разряжающие это изомерное состояние, которые могут указать высоту метастабильного состояния в схеме распада. Этими соображениями определяется выбор нижнего или верхнего дифференциального дискриминатора в стоповом канале.

В спектре задержанн1зК совпадений (фиг. 4, позиция 29) наблюдают два задержанных гамма-перехода 23 и 24 (фиг. 3), идущих с первого и второго уровней с периодами полураспада €, и . Далее (фиг. 4, позиция 30) показан временной спектр (или КЗС), который состоит из трех областей I-III. Так как- то спад у экспоненты из области II затянут более, чем у экспоненты из области I.

Области I на КЗС соответствует позиция 31 (фиг. 4), на которой видно четко выраженный переход 23, идущий с первого уровня в схеме распада (фиг. 3). А так как в область I дает вклад и область II, то на позиции 31 просматривается и переход 24, идущий в схеме распада с второго уровня.

Аналогичным образом области II на КЗС соответствует позиция 32 (фиг, 4), на которой видно ярко выраженный переход .24, идущий с .второго уровня в схеме распада (фиг. 3). Так как в область II дает вклад и область I, то на позиции 32 пр.осматривается и переход 23, идуи1ИЙ с первого уровня. Чем дальше друг от друга отодвигают области I и II на КЗС (фиг. 4, позиция 30), тем меньший вклад дает переход 24 на позиции 31 и переход 23 на позиции 32 (фиг. 4). Области III на КЗС соответствует спектр случайных совпадений (фиг. 4, позиция 33). В спектре случайных совпадений соотношение интенсивностей гамма-переходов повторяет соотношен.ие, которое имеется в одиночном гамме-спектре (Фиг. 4, позиция 28), и в отличие от спектра задержанного гамма-излучения спектр гамма-излучения, соответствующего случайным совпадениям, существенно меньше по интенсивности.

Таким образом, разложен спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29), на составные части (позиции 31 - 33) в соответствии с областями I-III КЗС, и определены интенсивности переходов I ( t, ) и II (2)

9 15 Алгоритм обработки инфор1 ации, записанной в ходе эксперимента, заключается в следующем. Сортируя стандартным путем информацию, записанную на магнитную ленту, получают спектр задержанных совпадений (позиция 29) и временной спектр, т.е. КЗС (позиция 30). Эти спектры получаютя в результате выборки с ленты информации, принадлежащей конкретно определенному кодировщику - блоку 11 или 12 (фиг. 1). Далее на временном спектре выделяются окна I-III, Следующая программа находит соответствие между этими окнами во временном спектре и энергетическим спектром задержанных совпадений, т.е. находит, какие -переходы в энергетическом спектре соответствуют временным окнам, заданйым на временном спектре. В результате такой обработки можно сказать, какая часть энергетического спектра соответствует задержанным совпадениям, т.е. областям I и II (фиг. 4, позиции 31 и 32), и какая часть случайным совпадениям, т.е. области III (фиг. 4, позиция 33). Уровень с периодом полураспада &, разряжается переходом 23 (позиция 31) а уровень с периодом полураспада - переходом 24 (позиция 32).

Таким образом, в ходе одного эксперимента получают без перестройки аппаратуры всю информацию о задержанных совпадениях в ядре и, кроме того, информацию о том, какие переходы разряжают изомерные состояния. Технические преимущества созданного однокристального спектрометра по сравнению с известным однокристальным спектрометром, позволяющим измерять время жизни одного перехода и не дающим.возможности определять энергию.перехода, .разряжающего метастабильное состоя- ние в одном эксперименте, заключаются в следующем.

Одновременно с регистрацией временного распределения (КЗС) регистрируется энергетическая информация, относящаяся к разрядке метастабильно- го состояния ядра, так как каждому акту временных совпадений соответствует

7

энергетический сигнал, получаемьй и регистрируемый на энергетическом выходе спектро метра.

При данной постановке эксперимента существенно сокращается время исследований и достигается независимость окончательных выводов об энергии гамма-переходов, разряжающих метастабильные состояния, от изменений интенсивности пучка ускорителя (масс-сепарато- ра) при исследовании в режиме он-лайн (в линию) или от изменения активности радиоактивного нуклида вследствие распада при исследованиях в режиме оф- лайн.

Формула изобретения

Однокристальный спектрометр, содержащий сцинтилляционный детектор, выход которого соединен с входом нижнего дифференциального дискриминатора, причем выход нижнего дифференциального дискриминатора через стоповую линию задержки соединен с входом Стоп преобразователя время-амплитуда, выход которого соединен с первым входом блока обработки и является временным выходом спектрометра, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и увеличения производительности труда путем введения многомерного анализа, в спектром.етр введены верхний дифферен1щальный дискриминатор, схема совпадений, линейная схема пропускания и линия задержки, причем выход сцин- тилляционного детектора соединен с входом верхнего дифференциального дискриминатора, а выходы верхнего и нижнего дифференциальньк дискриминаторов соединены с входами схемы совпадений, выход которой соединен с входом Старт преобразователя время-амплитуда и входом управления линейной схемы пропускания, сигнальньш вход которой через линию задержки соединен с выходом сцинтилляционного детектора, а выход линейной схемы пропускания соединен с вторым входом блока обработки и является энергетическим вы- :ходом спектрометра.

Изобретение относится к регистрации радиоактивного излучения, в частности к ядерной спектрометрии, и предназначено для одновременного определения времени жизни и энергии нескольких метастабильных состояний в короткоживущих радиоактивных изотопах. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение производительности труда путем введения многомерного анализа. Устройство содержит детектор гамма-излучения, обладающий высоким временным разрешением, а также амплитудным разрешением (в приведенном примере - сцинтилляционный пластический), дискриминаторы верхнего и нижнего уровней, две линии задержки, схему совпадений, время-амплитудный преобразователь, линейную схему пропускания и блок обработки. Детектор регистрирует одновременно все гамма-кванты, возникающие от распада радиоактивного изотопа, спектр гамма-квантов делится дискриминаторами на две части, соответствующие импульсы поступают на схему совпадений. Для каждого акта совпадений в память блока обработки записываются энергия одного из квантов и время между их регистрацией. Дальнейшей обработкой определяются время жизни, энергия и интенсивность одновременно нескольких метастабильных состояний. 4 ил.

f

3

21

16

17

W

и

i

11

П

/J

/4

F

.l

25 2S

цт. J

(риг.г.

21

Фиг.