Гамма-спектрометр Советский патент 1978 года по МПК G01T1/36 

1

Изобретение относится к измерению ядерных излучений, а именно к измерению спектрального распределения и интенсивности гамма-излучения, и может быть использовано в ядерной физике для исследования гамма-излучения, сопровождающего радиацио ный захват нейтронов и различные ядерные реакции, гамма-излучения ускорителей заряженных частиц, в радиоактивационном анализе, ядерной геофизике и в других областях техники, где требуется измерение спектрального состава гамма-излучения с энергией от нескольких десятков кэВ до десятков МэВ.

Известны гамма-спектрометры с защитой антисовпадениями, содержащие центра.льный (основной) детектор для первичного излучения окруженный защитным (дополнительным) детектором для рассеянного из центрального детектора излучения. Защитный детектор включен с центральным детектором по схеме антисовпадений для подавления актов, в которых рассеянный квант или аннигиляционный квант вылетает из центрального детектора, а также для исключения возмущений, создаваемых фоновыми излучениями и космическими лучами.

В спектрометрах с защитой антисовпадениями, несмотря на больщой общий объем

чувствительного к гамма-излучению материала детекторов, спектрометрический сигнал снимается только с центрального детектора. Небольщой объем центрального детектора обусловливает уменьщение фотоэффективности для жестких гамма-квантов, т. е. вероятности наблюдать импульс в пике полного поглощения при попадании в детектор одного гамма-кванта.

Цель изобретения - увеличение фотоэффективности для жестких гамма-квантов.

Для этого в предлагаемое устройство введены блок выделения аннигиляционных импульсов, нормально открытая схема пропускания и блок смешивания, а защитный детектор разделен на две независимые части. Блок выделения аннигиляционных импульсов может содержать два дифференциальных дискриминатора, входы которых подключены к половинкам защитного детектора, а выходы объединены и подключены к управляющему входу схемы пропускания, включенной между выходом схемы совпадения и управляющим входом выходных линейных ворот. Блок смещивания содержит два линейных сумматора и нормально закрытые линейные ворота, причем вход-ы первого сумматора подключены к частям защитного детектора, а выход - через нормально закрытые линейные ворота к нервому входу второго сумматора, к второму входу пос.леднего подключен центральный детектор, а выход второго сумматора подключен к выходным нормально открытым линейным воротал;, при этом в блоке смешивания к управляющему входу линейных ворот подключен выход схемы совнадения. При таком включении введенные блоки в совокупности обеспечивают регистрацию просуммированного сигнала от событий образования пар в центральном детекторе с одновременным поглощением одного или обоих аннигиляционных квантов в частях защитного детектора. На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого гамма-снектрометра; на фиг. 2 - спектр амнлитуд и.мпульсов одной части защитного детектора: на фиг. 3 - спектр а.мплитуд импульсов гамма-спектрометра; на фиг. 4 - кривые фотоэффективности в зависимости от энергии гамма-квантов. Гамма-спектрометр содержит центральный детектор I, защитный детектор 2, схему 3 совпадения, выходные линейные ворота 4, блок 5 выделеиня аннигиляцпонных JKMпульсов, схему 6 пропускания, блок 7 смещивания. Защитный детектор 2 разделен на две независимые части 8 и 9 по плоскости, проходящей через ось детекторов. Это обеспечивает выделение событий с вылетом как одного, так и двух аннигиляцнониых кьаитов. При этом в спектре амп.:1итуд импу, одной части (8 или 9), полхченном npni падении жестких гамма-квантов па цент |1;и.ьиьи детектор, будет один ник анпщпляциоипмх квантов (см. фпг. 2). Блок 5 выделения aHHin-иляционных импульсов содержит два ди;)ферен1111а.;1..иых дискриминатора К) и 11, вход которь х 1:(;-дключены соответстве1 но к об|,ч1М частям 8 и 9 защитного детектора 2, а выходы ооьединены и ноданы tea управляющий вход схе.мы 6 пропускания. Порог и пшрина ,я(на каждого из дискриминаторо;} 10 li i fiacTpaиваются так, чтобы пропускать ;|..сы. соответствующие ио амп.литуде а з гиляционного кванта. Схе.ма 6 иропускання вклю-.ема .ежду выходом cxe.vibi 3 совпадений и yfipae/isiK)щи.м входо.м выходных линейных ворот 4 и в нормальном состоянии открыта. Блок 7 смещивания содержит два линейных сумматора 12 и 13 и нормально закрытые линейные ворота 14. 5ходы сумматора 12 подключены к частям.8 и 9 защитного детектора 2, а выходные сигналы идут через линейные ворота 4 на сумматор l.i К. второму входу последнего подключен центральный детектор 1, а выход сумматора 13 нода.ч на выходные линейные ворота 4. Выход /uiнейных ворот 4 является выходом гамма-спек тро.метра, который подк;ночают к анализатору а.мнлитуд импульсов. В блок 7 с.мещивания на управляющий вход нормально закрытых линейных ворот. 14 подан сигнал схемы 3 совпадения. На фиг. 1 не показаны схемы формирования и задержки, а также дополнительный защитный детектор для подавления вторичiii i частиц, рассеянных под .малыми угла.ми, который может быть включен на антисовпадения. Гамма-спектрометр работает следующим образом. В случае полного поглощения энергии первичного гамма-кванта в центральном детекторе 1 и.мпульс последнего идет через линейный сумматор 13 без изменения на нормально открытые выходные линейные ворога 4 и далее на выход га.мма-спектрометра. В случае рассеяния гамма-кванта в центральном детекторе I и регистрации ко.мптопоБски рассеянного вторичного кванта в защитном детекторе 2 и.мпульс центрального Детектора 1, соответствующий неполной потере энер1-ии первичного кванта, проходит также через сумматор 13 до выходных линейных ворот 4 и там блокируется. Это объясняется тем, что от сигпалов обоих детекторов {1 и 2) срабатывает схема 3 совпадения и вь ходным си1-налом блокирует линейные ворота 4 через открытую в это вре.мя схему 6 пропускания. В случ;. образования электрон-пози тронных пар в центральном детекторе 1 от аннигиляции позитрона разлетаются в противопг,К) стороЩ) два гамма-кванта с энер ией покоя эЛектрона. Ьслн они оба поглотятся в цешральном детекторе, то спектрометр работает как в первом случае. Если f) пли оба аннигиляцпонных кванта вы. из п.енг|,ильпого детектора 1 и полностью по.мотится хотя бы один из них в ч.;Сгих 8 пл1 9 защитного детектора 2, то cooi ветству1оц,ие импульсы проходят через ;1кскрим1 натор 10 ihui 11. На выходе блока 5 ,|слс1 ия а и-1И Ч1ляци.оьпцз1х пмп)льсов появится сигна.л, блоки1)ующий схе.му 6 нро ус1-;аьия. Это обеспечивает открытое состояние выходных линейных ворот 4, хотя на выходе схемы 3 совпадения появился сигнал уПраВЛСН1:Я. Выходной сигнал с.хемы 3 совпадения открывает To.iL.Ko .линейные ворота 14 блока 7 смешивания. В этом блоке импульсы частей 8 и 9 защитного детектора 2 суммируются в сумматоре 12. проходят через открывшиеся линейные ворота 14, суммируются в су.ммаTOjK- 13 с 1пульсом центрального детекто )а 1 и далее через выходные .чинейные ворота 4 идут на выход га.м.ма-сиектрометра. Гаким образом, в последнем случае обескечивается регистрацнл сум.марпого сигнала ;1ля событий образования иар в центра.;1ьно.м детекторе 1 одновре.менны.м поглоп1е1П еМ одного пли обоих анппгиляцнониых квантов в заиьчтпой детекторе 2. В известных сиектрометрах с защитой антисовпадениями такие события исключались из регистрации.

В предлагаемом гамма-спектрометре можно получить более высокую фотоэффективность для жестких гамма-квантов при меньших поперечных размерах центрального детектора 1, чем в прототипе. Меньшие раз.меры чувствительного материала детекторов 1 и 2 позволяют уменьшить фоновую загрузку, так как последний пропорционален кубу линейных размеров. При этом толщина .слоя защитного детектора 2 должна быть достаточной, чтобы поглощать больщую часть аннигиляционных квантов.

На фиг. 3 приведены спектры амплитуд импульсов гамма-спектрометра с центральным детектором 1 со сцинтиллятором NaJ(T) диаметром 4,5 см, длиной 10 см; защитным детектором 2 со сцинтиллятором NaJ(Tt) кольцевой формы с внешним диаметро.м 20 см, длиной 20 см и внутренним диаметром 6 см. Защитный детектор 2 разделен на части 8 и 9. График а на фиг. 3 соответствует однокристальному режиму работы, т. е. с отключенным защитным детектором 2. График б на фиг. 3 соответствует режиму спектрометра с защитной антисовпадениями, т. е. когда защитный детектор 2 включен по схеме антисовпадений, как в прототипе. График в на фиг. 3 соответствует режиму работы предлагаемого гамма-спектрометра. Спектры рассчитаны с точностью 5-10% методом математического моделирования для коллимированного пучка гамма-квантов с энергией 7,38 МэВ.

В режиме антисовпадений комптоновское распределение 15 снижается почти в пять раз, а пики 16 вылета одного или двух аннигиляционных квантов подавляют почти полностью по сравнению с однокристальным (см. фиг. 3, графики а и б). В предлагаемом спектрометре подавление комптоновского распределения 15 такое же, а фотопик 17 увеличивается за счет «перекачки пиков 16 вылета, т. е. за счет того, что они не исключаются, а пропускаются на регистрацию с просуммированной амплитудой.

На фиг. 4 приведены кривые фотоэффективности в зависимости от энергии гаммаквантов. Здесь кривая 18 - фотоэффектиВность спектрометра антисовпаденнй, кривая 19 - то же, для предлагаемого спектрометра. Для жестких гамма-квантов фотоэффективность пред,лагаемого га.мма-спектрометра

больще, чем у прототипа, в несколько раз. Улучшается также качество аппаратурной линии, т. е. увеличивается отношение площади под фотопиком 17 к плопхади комптовского распределения 15.

В качестве защитного необходим такой детектор, который при смешивании сигналов заметно не ухудшает разрешения центрального детектора I, т. е. оба детектора 1 и 2 должны обладать сравнимым энергетическим разрешением.

В зависимости от геометрии детектирования, материал ичисла дополнительн1 х детекторов и прочих факторов возможны и другие варианты осуществления гамма-спектрометра, которые не выходят за рамки изобретения.

Формул а и зоб ре тения

Гамма-спектрометр, содержании центральный и окружающш его liauuiTiiijirt детекторы гамма-пзлучения со сравнимыми энергетическими разрешениями, схему совпадения и выходные линейные ворота, orjiiчающийся тем, что, с целью увеличения фотоэффективности для жестких га.мма-квантов, в него введены блок выделения анни|-иляционных импульсов, нормально открытая схема пропускания и блок смешивания, а защитный детектор разделен на две независимые части, причем блок выделения аннигиляционных и.мпульсов содержит два дифференциальных дискриминатора, входы которых подключены к указанным частям защитного детектора, а выходы объединены и подключень к управляющему входу схемы пропускания, включенной межд) выходом схемы совпадения и управляющим входодг выходных линейных ворот, блок с.мешивания содержит два линейных сумматора и нормально закрытые линейные ворота, причем входы первого сумматора подключены к частям защитного детектора, а выход - через нормально закрытые линейные ворота к первому входу второго сумматора, к второму входу последнего подключен центральный детектор, а выход второго сумматора подключен к выходным нормально открытым линейным воротам, при этом ч блоке смешивания к управляющему входу л, ейных ворот подключен выход схемы совпа, ения.

Ss

i 5

I 4

0

I

2

§

0,5

234Энергия f -кбантод, МэВ Фиг.2