Способ гамма-спектрометрии и гамма-спектрометр Советский патент 1993 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройства изучения спектрального состава гамгЦа-излучения различной физической приводы и может быть использовано в горной промышленности, металлургии, геологии, в частности, при геофизических исследованиях в скважинах.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения просчетов сигналов при повышенной интегральной загрузке спектрометрического тракта.

Сущность способа спектрометрии заключается в следующем. Световые сцинтил- ляции гамма-квантов преобразуют в

электрические импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии исходного гамма- кванта, затем преобразуют спектр амплитуд электрических импульсов в цифровой п- разрядный код. Для повышения точности измерений преобразование амплитуды импульсов в n-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в заданных энергетических интервалах полного гамма-спектра путем их предварительной амп- литудной селекции. Затем после передачи по протяженной линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при этом энергию и спектральные интенсивности гамма-кван- тов определяют путем амплитудной селекции повторно преобразованного кусочно-непрерывного спектра аналоговых сигналов.

Для практической реализации способа предлагается гамма-спектрометр, содержащий регистрирующую часть и блок анализа и обработки, соединенных линией связи. Регистрирующий блок состоит из детектора

гамма-квантов, вход которого подключен к

первой линии связи, а выход - через последовательно соединенный первый линейный усилитель v. амплитудный детектор подключен ко входу буферного запоминающего устройства, выход которого соединен со входом n-разрядного цифрового преобразователя, а также выходного каскада, подключенного к первой линии связи.

От известных гамма-спектрометров предлагаемый гамма-спектрометр отличается тем, что в регистрирующий блок введены преобразователь параллельного кода в последовательный, оперативное запоминающее устройство, блок дифференциальных каналов и логический 4-входовый элемент ИЛИ, Информационные выходы аналого- цифрового преобразователя подключены через оперативное запоминающее устройство по входам преобразователя параллель- ного кода в последовательный, выходом связанного со входом выходного каскада. Входы всех компараторов подсоединены к выходу буферного запоминающего устройства, а выходы первого и второго компара- торов каждого дифференциального канала подсоединены соответственно к первого и второму входам схемы антисовпадений, выход каждой из которых соответственно через 4-входовый логический элемент ИЛИ подключен к управляющему входу аналого- цифрового преобразователя.

Блок анализа и обработки гамма-спектрометра содержит второй линейный усилитель, выход которого подключен ко входу

5

0

5

0

5 0 5 0 5

преобразователя последовательного кода в параллельный, информационные входы которого подсоединены ко входам цифроана- логового преобразователя (ЦАП). К стробирующему входу ЦАП через одновиб- ратор подключен выход Готовность преобразователя последовательного кода в параллельный, выход цифроаналогового преобразователя через первый - третий дифференциальный каналы связан с первым-третьим входами блока обработки информации, через четвертый дифференциальный канал - с первым входом блока автоматической регулировки коэффициента усиления, а через пятый дифференциальный канал - со вторым входом упомянутого блока автоматической регулировки коэффициента усиления, выход которого соединен со второй линией связи. Выход блока обработки информации подключен к регистратоРУ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональная схема дифференциального канала.

Регистрирующий блок включает в себя последовательно включенные детектор гамма-квантов с блоком питания высокого на- пряжения 1, линейный усилитель 2, амплитудный детектор или интегратор 3, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

5. оперативное запоминающее устройство

6. преобразователь параллельного кода в последовательный 7, выходной каскад 8, а также блок дифференциальных каналов 9 и 4-входовый элемент ИЛИ 10, Вход блока дифференциальных каналов 9 подключен к выходу буферного ЗУ, а выход через логический элемент ИЛ И 10 куправляющему входу АЦП 5.

Блок анализа и обработки содержит последовательно включенный входной усилитель 11, преобразователь последовательного кода в параллельный 12, цифроа- налоговый преобразователь 13, пять дифференциальных каналов 14, 15, 16, 17 и 18, выходы которых подсоединены к блоку обработки 19, а также систему автоматического регулирования коэффициента усиления 20 и одновибратор 21. Выход первой линии связи 22 подключен к блоку питания высокого напряжения детектора гамма- квантов 1. Одновибратор 21 подключен к стробирующему входу ЦАП 13 и входом к выходу Готовность блока преобразования последовательного кода в параллельный 12.

Дифференциальные каналы, которых в регистрирующей части содержится четыре (блок 7), а в блоке анализа - пять (14, 15, 16,

17, 18), выполнены по идентичной схеме, приведенной на рис. 2.

Схема дифференциального канала состоит из компаратора верхнего 23 и нижнего 24 уровней, выходы которых подключены к двум соответствующим входам схемы антисовпадений 25. Выходы схемы антисовпадений регистрирующей части 25 через четырех входовый логический элемент ИЛИ 10 подключены к управляющему входу АЦП 5, а входы всех компараторов подключены к выходу буферного запоминающего устройства 4.

Устройство работает следующим образом.

Поступающий с выхода детектора гамма-квантов 1 электрический импульс усиливается линейным усилителем 2 и далее поступает на амплитудный детектор 3, на выходе которой формируется сигнал с плоской вершиной и амплитудой пропорциональной энергии исходного гамма-кванта. Длительность сигнала составляет 3-5 мксек. Далее этот сигнал поступает в буферное запоминающее устройство 4, представ- Ляющее собой такой же амплитудный детектор. На выходе последнего формируется идентичный по амплитуде импульс, но с более высокой длительностью (20-40 мксек), предназначенный для последующего кодирования в АЦП и амплитудной селекции в блоке дифференциальных каналов 9. Применение амплитудного детектора в сочетании с буферным ЗУ позволяет разрав- нять статистически распределенные во времени сигналы и тем самым уменьшить Просчеты при передаче по протяженным линиям связи еще примерно вдвое. С выхода буферного ЗУ 4 сигналы одновременно поступают на вход АЦП 5 и блока дифференциальных каналов 9. Преобразование аналоговых сигналов АЦП в цифровой п- р азрядный код осуществляется по приходу разрешающего импульса с выхода логического элемента ИЛИ 10. Это возможнотоль- кр в том случае, если амплитуда сигнала будет находиться между нижним и верхним уровнями одной из пар (в данном устройстве предусмотрено четыре пары) компарато- четырех дифференциальных каналов. Таким образом достигается избирательное цифровое кодирование информационных сигналов принадлежащих заданным энер- г тическим областям исходного гамма- сЬектра. С выхода АЦП 5 цифровой код записывается в ОЗУ 6, благодаря чему осу- а|ествляется вторичное разравнивание с|атистики сигналов, плотностью исключающее дальнейшие просчеты при передаче ийформации по линии связи. Извлечение

цифровых кодов из ОЗУ достигается по сигналу Готовность с выхода Конец преобразования блока преобразования параллельного кода в последовательной,

поступающего на вход считывания ОЗУ. Считанное на ОЗУ б Слово преобразуется в последовательный код общей длительностью 200-250 мкс. (при 8-ми разрядном кодировании), усиливается по мощности

выходным каскадом 8 и поступает в линию связи 22. При длительности цифрового кода равной 200 мксек устройство позволяет передать без просчетов до 5000 W с, что соответствует примерно 20-40 тыс. W с по

полному гамма-спектру. Приходящие по линии связи 22 цифровые коды восстанавливаются по уровню с помощью линейного усилителя 11, а затем поступают на вход блока преобразования последовательного

кода в параллельный 12 и далее на входы цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13. Выход Готовность блока преобразователя 12 подключен к стробирующему входу ЦАП через одновибратор 20, чем обеспечивается конец преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. Длительность выходного аналогового сигнала соответственно определяется длительностью импульса одновибратора. С выхода ЦАП

аналоговые сигналы подаются на входы идентичных дифференциальных каналов 14, 15, 16, 17, 18, с помощью которых осуществляется амплитудная селекция переданного и повторно преобразованного кусочно-непрерывного гамма-спектра. Далее с выходов первых 3 дифференциальных каналов информационные потоки поступают в блок обработки 21, который может быть выполненным в виде счетно-решающего устройства, реализующего требуемый алгоритм расчета по жесткой логике или вычислитель другого типа. В частности, при спектрометрии естественного гамма-излучения реализуется расчет содержаний калия, урана и

тория на основе аппаратурного решения системах 3 уравнений следующего вида:

50

q(K) anm + ai2N2 + aisNs

g(U) 32lNl + 322N2 + 323N3

g(Th) asiNi + аза№ + assNs где g(K), g(U), g(Th)- соответственно калия, урана,тория;

Ni, N2, N3 - скорости счета по каналу калия (1,46 МэВ), урана (1,78 МэВ), тория (2,62 МэВ);

aij - постоянные спектральные коэффициенты, определяемые в градуированных моделях руд.

Выходы четвертого и пятого дифференциальных каналов 17, 18 подключены к входу системы автоматического регулирования коэффициента усиления 20, работающей, например, на принципе сравнения скоростей счета в двух смежных энергетических областях, выбираемых симметрично на склонах фотопика реперного источника. Сигнал разбаланса преобразовывается в постоянное напряжение, которое по линии связи поступает в блок питания высокого напряжения детектора гамма-квантов, изменяя его в ту или другую сторону. Тем самым обеспечивается постоянный уровень сигнала, требующийся для стабильной работы всего устройства и особенно дифференциальных каналов регистрирующей части. Опорное напряжение ЦАП 13 и дифференциальных каналов 14-18 задается от одного стабилизированного источника питания. Благодаря этому динамический диапазон амплитуд сигналов на выходе ЦАП точно соответствует диапазону уровней дифференциальных каналов 14-18. Это исключает использование дополнительного усилителя на выходе ЦАП, неизбежно дестабилизирующего работу устройства.

Таким образом, предложенные способ гамма-спектрометрии и устройства для его реализации позволяют существенно (в 5-10 раз) уменьшить просчеты информационных сигналов и соответственно повысить точность измерения спектральных потоков не менее чем в 2-3 раза. Повышение точности по сравнению с аналоговой передачей информации достигается за счет улучшения энергетического разрешения спектрометрического тракта, благодаря исключению влияния кабеля.

Формула изобретения

1. Способ гамма-спектрометрии, заключающийся в преобразовании световых сцинтилляций гамма-квантов в электрические импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии исходного гамма-кванта, последующем преобразовании спектра амплитуд электрических импульсов в цифровой n-разрядный код, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения просчетов сигналов при повышенной интегральной загрузке спектрометрического тракта, преобразование амплитуды импульсов в п-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в заданных энергетических интервалах полного гамма-спектра путем их предварительной амплитудной селекции, затем после передачи по протяженной линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при

этом энергию и спектральные интенсив ности гамма-квантов определяют путе амплитудной селекции повторно преобра зеванного кусочно-непрерывного спектре

аналоговых сигналов.

2. Гамма-спектрометр, содержащий ре гистрирующий блок, состоящий из детектора гамма-квантов, выход которого через последовательно соединенные первый ли0 нейный усилитель и амплитудный детектор подключен ко входу буферного запоминающего устройства, выход которого соединен со входом n-разрядного аналого-цифрового преобразователя, выходной каскад, под5 ключенный к первой линии связи, блок анализа и обработки, при этом вход детектора подключен к первой линии связи, отличающийся тем, что в регистрирующий блок введены преобразователь параллельного

0 кода в последовательный, оперативное запоминающее устройство, блок дифференциальных каналов (каждый из которых содержит первый и второй компараторы, соответственно верхнего и нижнего уровней и

5 схему антисовпадений), логический четы- рехвходовый элемент ИЛ И, при этом инфор- мационные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены через оперативное запоминающее устройство ко вхо0 дам преобразователя параллельного кода в последовательный, выходом связанного с входом выходного каскада, входы всех компараторов подсоединены к выходу буферного запоминающего устройства, а выходы

5 первого и второго компараторов каждого дифференциального канала подсоединены соответственно к первому и второму входам схемы антисовпадений, выход каждой из которых соответственно через четырехвходо0 вый логический элемент ИЛИ подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, блок анализа и обработки содержит второй линейный усилитель выход которого подключен к входу преобразо5 вателя последовательного кода в параллельный, информационные входы которого подсоединены к входам цифроанало- гового преобразователя, к стробирующему входу, которого через одновибратор подклю0 чем выход Готовность преобразователя последовательного кода в параллельный, выход цифроаналогового преобразователя через первый-третий дифференциальные каналы связан с первым-третьим входами

5 блока обработки информации, через четвертый дифференциальный канал - с первым входом блока автоматической регулировки коэффициента усиления, а через пятый дифференциальный канал - с вторым входом упомянутого блока автоматической регулировки коэффициента усиления, выход кото- чем выход блока обработки информации рого соединен с второй линией связи, при- подключен к регистратору.

i Использование: в различных областях народного хозяйства, например горной про- мьи ленности, металлургии, геологии. Сущ- нос|ть изобретения: для уменьшения просчетов сигналов при повышенной интег- рал|ьной загрузке спектрометрического тра|ста и упрощения аппаратуры преобразо- амплитуды импульсов в п-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в заданных энергетических интервалах пол- нопр гамма-спектра путем их предварительной амплитудной селекции, а затем после передачи по линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при этом энергию и спектральные интенсивности гамма- квантов определяют путем амплитудной селекции повторно преобразованного кусочно-непрерывного спектра аналоговых сигналов. В части устройства: в регистрирующий блок, состоящий из последовательно включенных детектора гамма-квантов с блоком питания высокого напряжения, линейного усилителя, амплитудного детектора или интегратора, буферного ОЗУ и п-раз- рядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходного каскада, подключенного к линии связи, блока анализа и обработки, введены преобразователь параллельного кода в-последовательный, оперативное запоминающее устройство, четыре дифференциальных канала и логический элемент ИЛИ, а блок анализа и обработки включает в себя последовательно соединенные линейный усилитель сигналов, блок преобразования последовательного кода в параллельный, циф- роаналоговый преобразователь и п дифференциальных каналов, например 4, а также одновибратор и систему автоматической регулировки коэффициента усиления. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. ел с оо О CJ 00 о о

Фиг. 2

Редактор Т.Купрякова

Составитель Е.Шарипо Техред М.Моргентал

Корректор С.Юско