Устройство регистрации ионизирующего излучения для позиционно-чувствительных систем

Настоящая полезная модель относится к области разработки приборов и методов ядерной физики, физики высоких энергий, космофизики и радиационной медицины, в частности к позиционно-чувствительным устройствам, предназначенным для регистрации пространственно-энергетического распределения частиц ионизирующих излучений, таких как гамма-кванты, нейтроны и заряженные частицы высоких энергий.
Известно устройство регистрации ионизирующего излучения (см. патент RU 2367980, МПК G01T 1/40, опубликован 20.09.2009), содержащее высоковольтный источник питания, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), сцинтиллятор, сопряженный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), выход которого соединен с усилителем, и микропроцессор, первый выход которого подключен через управляющий вход генератора импульсов тока к светодиоду, а второй выход подключен к первому входу схемы сравнения, при этом вход подключен к датчику температуры. В устройство введены дискриминатор нижнего уровня, два интегратора и два ключа. Светодиод сопряжен со сцинтиллятором, а дискриминатор нижнего уровня включен между выходом усилителя и входом АЦП, выход которого подключен к входам первого и второго ключа. Выход второго ключа является выходом устройства, а его управляющий вход подключен к четвертому выходу микропроцессора, третий выход которого подключен ко второму входу генератора импульсов тока. Первый выход микропроцессора подключен к управляющему входу первого ключа, выход которого через первый интегратор подключен ко второму входу схемы сравнения, выход которой через высоковольтный источник питания и второй интегратор подключен к электродам фотоэлектронного умножителя.
Известное устройство регистрирует только энергетическое распределение частиц ионизирующего излучения.
Известно устройство регистрации ионизирующего излучения (см. патент RU 2368921, МПК G01T 1/20, G01T 1/40, опубликован 27.09.2009), включающий сцинтиллятор и ФЭУ, выход которого подключен к устройству регистрации, делитель напряжения и синхронизатор, один вход которого подключен к импульсному источнику ионизирующего излучения и устройству регистрации, а второй ко второму входу устройства регистрации. Устройство также содержит первый ключ между выходом ФЭ/У и устройством регистрации, генератор тока, светодиод, который оптически связан со сцинтиллятором, систему стабилизации чувствительности, содержащую второй оптически связанный со сцинтиллятором светодиод, второй генератор тока, согласующее устройство, дискриминатор нижнего уровня, АЦП, второй ключ, первый интегратор, схему сравнения, высоковольтный источник питания, второй интегратор, подключенный к делителю напряжения, и датчик температуры, подключенный к микропроцессору.
Известное устройство предназначено для регистрации энергетического распределения частиц ионизирующего излучения, но не способно регистрировать пространственно-энергетическое распределение частиц.
Известно устройство регистрации ионизирующего излучения (см. патент US 6420711, МПК G01T 1/24, опубликован 16.07.2002), включающее позиционно-чувствительные кремниевые микрополосковые детекторы, для регистрации зарядов с которых используется микросхема большой степени интеграции. Микросхема содержит 64 спектрометрических канала, каждый из которых предназначен для преобразования заряда в кратковременно запомненное на его выходе напряжение. Выходные напряжения последовательно считываются последующей электроникой, включающей процессор и монитор.
Известное устройство регистрации ионизирующего излучения имеет большое время измерения.
Известно устройство регистрации ионизирующего излучения для позиционно-чувствительных систем (см. Ю.В. Тубольцев, А.А. Богданов, И.В. Еремин, В.К. Еремин, Ю.В. Чичагов, А.С. Фомичев, Н.Н. Аруев. - Письма в ЖТФ, 2018, том 44, вып. 23, стр. 56-62), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип.
+
Устройство-прототип содержит, полупроводниковый детектор, на одной стороне которого расположено 64 сигнальных полосковых электрода, а на другой расположен слой n типа проводимости, имеющий омический контакт, микросхему большой степени интеграции, содержащую 64 спектрометрических тракта и аналоговый мультиплексор; дискриминатор нижнего уровня, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему, содержащую блок управления, оперативную память и блок приема/передачи по USB интерфейсу; устройство обработки и отображения информации. 64 полосковых электрода детектора подсоединены к соответствующим первым входам 64 спектрометрических трактов, выходы которых подсоединены к соответствующим 64 входам аналогового мультиплексора. Выход аналогового мультиплексора подсоединен к входу усилителя, выход которого соединен с первым входом АЦП. Второй вход АЦП подключен к первому выходу блока управления. Первый вход блока управления соединен с выходом дискриминатора нижнего уровня, вход которого подключен к омическому контакту детектора. Второй выход блока управления соединен с вторыми входами спектрометрических трактов. Выход блока оперативной памяти соединен с входом блока приема/передачи по USB интерфейсу, вход/выход которого подключен к входу/выходу устройства обработки и отображения информации.
Известное устройство регистрации ионизирующего излучения позволяет осуществить многократное измерение с последующей статистической его обработкой результатов на компьютере, однако это приводит к увеличению времени считывания каждого сигнала, что значительно увеличивает время считывания со всех спектрометрических трактов, особенно это сказывается в позиционно-чувствительных системах с большим количеством детекторов.
Известное устройство регистрации ионизирующего излучения имеет постоянное время считывания сигнала с каждого спектрометрического тракта. Это время определяется периодом следования тактовых импульсов, подаваемых на вход управления аналогового мультиплексора. При этом каждый тактовый импульс осуществляет последовательное подключение выходов спектрометрических трактов на вход усилителя для дальнейшего измерения напряжений с их выходов с помощью АЦП. Измерения осуществляется по тактовым импульсом АЦП (импульсам выборок). По каждому тактовому импульсу на выходе АЦП выдается цифровой код соответствующий измеренному напряжению. Следует отметить, что сигнал, доведенный с выхода ASIC до входа АЦП, представляет собой уровень напряжения, модулированный шумами и помехами в тракте его передачи, вследствие чего однократное измерение может оказаться недостаточным, так как возможен большой разброс в показаниях от измерения к измерению. В известном устройстве можно осуществлять многократные измерения напряжения с каждого спектрометрического тракта с последующей статистической обработкой результатов на компьютере. Очевидно, что для увеличения количества импульсов выборок АЦП с целью увеличения статистической точности измерения необходимо иметь большее время считывание сигнала, что приводит к увеличению общего времени считывания сигналов со всех спектрометрических трактов. Кроме того дополнительно требуется время на передачу всех измерений на устройство обработки информации для последующей статистической обработки. Данное обстоятельство особенно сказывается в позиционно-чувствительных системах с большим количеством детекторов, обслуживание которых может осуществляться несколькими большими специализированными интегральными схемами соединенными последовательно.
В то же время в большинстве задач можно иметь разную статистическую точность измерения сигналов с разных спектрометрических трактов. Например, с детекторов расположенных в центре позиционно-чувствительного детектора чаще всего необходимо вести измерения сигналов с лучшей точностью, чем с детекторов, предназначенных для регистрации фоновых событий.
Известное устройство регистрации ионизирующего излучения позволяет осуществить многократное измерение с последующей статистической его обработкой результатов на компьютере, однако это приводит к увеличению времени считывания каждого сигнала, что значительно увеличивает время считывания со всех спектрометрических трактов, особенно это сказывается в позиционно-чувствительных системах с большим количеством детекторов.
Задачей настоящего технического решения является разработка устройства регистрации ионизирующего излучения, в котором индивидуально для каждого спектрометрического тракта устанавливается время считывания сигнала исходя из необходимой статистической точности его измерения, что в конечном итоге приводит к уменьшению времени считывания сигналов со всех спектрометрических трактов, тем самым увеличивая быстродействие регистрации ионизирующего излучения.
+
Поставленная задача достигается тем, что устройство регистрации ионизирующего излучения содержит полупроводниковый детектор, на одной стороне которого расположено 64 сигнальных полосковых электрода, а на другой расположен слой n типа проводимости, имеющий омический контакт, специализированную микросхему большой степени интеграции, содержащую 64 спектрометрических тракта и аналоговый мультиплексор; дискриминатор нижнего уровня, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему, содержащую блок управления, оперативную память и блок приема/передачи по USB интерфейсу; устройство обработки и отображения информации. 64 сигнальных полосковых электрода детектора подсоединены к соответствующим первым входам 64 спектрометрических трактов, выходы которых подсоединены к соответствующим 64 входам аналогового мультиплексора. Выход аналогового мультиплексора подсоединен к входу усилителя, выход которого соединен с первым входом АЦП, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления. Первый вход блока управления соединен с выходом дискриминатора нижнего уровня, вход которого подключен к омическому контакту детектора. Второй выход блока управления соединен со вторыми входами спектрометрических трактов, выход блока оперативной памяти соединен с входом блока приема/передачи по USB интерфейсу, вход/выход которого подключен к входу/выходу устройства обработки и отображения информации. Новым в устройстве является то, что в него введены вычислитель среднего значения напряжения и генератор серии импульсов с программно-устанавливаемыми интервалами между ними. При этом первый вход вычислителя среднего значения напряжения соединен с выходом АЦП, второй вход вычислителя среднего значения напряжения подключен к первому выходу блока управления, а выход вычислителя среднего значения напряжения соединен с входом блока оперативной памяти. Первый вход генератора серии импульсов подключен ко второму выходу блока управления, второй вход генератора серии импульсов соединен с третьим выходом блока управления, а выход генератора серии импульсов соединен с 65-ым входом аналогового мультиплексора, со вторым входом блока управления и третьим входом вычислителя среднего значения напряжения.
Генератор серии импульсов с программно-устанавливаемыми интервалами между ними может содержать счетчик, память типа FIFO, компаратор и одновибратор. При этом первый вход генератора серии импульсов соединен с первыми входами счетчика и памяти типа FIFO. Второй вход генератора серии импульсов соединен со вторым входом счетчика, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, а выход памяти типа FIFO подключен ко второму входу компаратора, выход которого соединен с входом одновибратора. Выход одновибратора подключен ко второму входу памяти типа FIFO, третьему входу счетчика и выходу генератор серии импульсов.
Вычислитель среднего значения напряжения может содержать сумматор, регистр суммы, счетчик числа измерений и делитель. При этом первый вход вычислителя среднего значения напряжения соединен со вторым входом сумматора, выход которого подключен к первому входу регистра суммы. Второй вход вычислителя среднего значения напряжения соединен со вторым входом регистра суммы и с первым входом счетчика числа измерений. Третий вход вычислителя среднего значения напряжения подключен к третьему входу регистра суммы, ко второму входу счетчика числа измерений и к третьему входу делителя. Второй вход делителя соединен с выходом счетчика числа измерений. Выход регистра суммы подключен к первому входу сумматора и к первому входу делителя, выход которого соединен с выходом вычислителя среднего значения напряжения.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 приведена блок-схема устройства регистрации ионизирующего излучения;
на фиг. 2 показана блок-схема генератора серии импульсов с программно-устанавливаемыми интервалами между ними;
на фиг. 3 изображена блок-схема вычислителя среднего значения напряжения;
на фиг. 4 показана блок-схема спектрометрического тракта;
на фиг. 5 изображена временная диаграмма работы устройства регистрации ионизирующих излучений (УФ - сигнал на выходе усилителя-формирователя; TRIG - стартовый сигнал; HOLD - сигнал фиксации напряжения на устройстве выборки и хранения; ASIC_Clk - серия тактовых импульсов ASIC; ASIC_Out - выходной сигнал ASIC; ADC_Clk -- тактовые импульсы АЦП);
на фиг. 6 приведена фотография опытного образца устройства регистрации ионизирующих излучений.
+
Настоящее устройство регистрации ионизирующего излучения (фиг. 1) содержит полупроводниковый детектор 1, на одной стороне которого расположены 64-е сигнальных полосковых электрода, а на другой расположен слой n типа проводимости, имеющий омический контакт, выполненные в виде специализированной микросхемы 2 большой степени интеграции (например, типа VA140 или IDE1140) 64 спектрометрических тракта 3 и аналоговый мультиплексор 4, усилитель 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, дискриминатор 7 нижнего уровня, программируемая логическая интегральная схема 8, содержащая блок 9 управления, оперативную память 10, блок 11 приема/передачи по USB интерфейсу, вычислитель 12 среднего значения напряжения, генератор 13 серии импульсов с программно-устанавливаемыми интервалами между ними, и устройство 14 обработки и отображения информации. 64 полосковых электрода детектора 1 подсоединены к соответствующим первым входам 64-х спектрометрических трактов 3, выходы которых подсоединены к соответствующим 64-м входам аналогового мультиплексора 4. Выход аналогового мультиплексора 4 подсоединен к входу усилителя 5, выход которого соединен с первым входом АЦП 6. Второй вход АЦП 6 подключен к первому выходу блока 9 управления. Первый вход блока 9 управления соединен с выходом дискриминатора 7 нижнего уровня, вход которого подключен к омическому контакту детектора 1. Второй выход блока 9 управления соединен со вторыми входами спектрометрических трактов 3. Выход блока 10 оперативной памяти соединен с входом блока 11 приема/передачи по USB интерфейсу, вход/выход которого подключен к входу/выходу устройства 14 обработки и отображения информации. Первый вход вычислителя 12 среднего значения напряжения соединен с выходом АЦП 6, второй вход вычислителя 12 среднего значения напряжения подключен к первому выходу блока 9 управления, а выход вычислителя 12 среднего значения напряжения соединен с входом блока 10 оперативной памяти. Первый вход генератора 13 серии импульсов подключен ко второму выходу блока 9 управления. Второй вход генератора 13 серии импульсов соединен с третьим выходом блока 9 управления, а выход генератора 13 серии импульсов соединен с 65-ым входом аналогового мультиплексора 4, со вторым входом блока 9 управления и третьим входом вычислителя 12 среднего значения напряжения.
Генератор 13 серии импульсов с программно-устанавливаемыми интервалами между ними (фиг. 2) может содержать счетчик 15, память 16 типа FIFO, компаратор 17 и одновибратор 18. При этом первый вход генератора 13 серии импульсов соединен с первыми входами счетчика 15 и памяти 16 типа FIFO. Второй вход генератора 13 серии импульсов соединен со вторым входом счетчика 15, выход которого подсоединен к первому входу компаратора 17. Выход памяти 16 типа FIFO подключен ко второму входу компаратора 17, выход которого соединен с входом одновибратора 18. Выход одновибратора 18 подключен ко второму входу памяти 16 типа FIFO, третьему входу счетчика 15 и выходу генератора 13 серии импульсов. Вход "Вх.1" генератора 13 подключен к первому входу сброса 1 счетчика 15 и к входу 1 установки памяти 16 типа FIFO в исходное состояние. Вход "Вх.2" - к счетному входу счетчика 15. В исходном состоянии с памяти 16 типа FIFO на один вход компаратора 17 поступает первое слово данных, представляющее собой двоичное число, а на второй вход - "все 0" со счетчика 15.
Вычислитель 12 среднего значения напряжения может содержать (фиг. 3) сумматор 19, регистр 20 суммы, счетчик 21 числа измерений и делитель 22. Первый вход вычислителя 12 среднего значения напряжения соединен со вторым входом сумматора 19, выход которого подключен к первому входу регистра 20 суммы. Второй вход вычислителя 12 среднего значения напряжения соединен с вторым входом регистра 20 суммы и с первым входом счетчика 21 числа измерений. Третий вход вычислителя 12 среднего значения напряжения подключен к третьему входу регистра 20 суммы, ко второму входу счетчика 21 числа измерений и к третьему входу делителя 22. Второй вход делителя 22 соединен с выходом счетчика 21 числа измерений. Выход регистра 20 суммы подключен к первому входу сумматора 19 и к первому входу делителя 22, выход которого соединен с выходом вычислителя 12 среднего значения напряжения.
Спектрометрический тракт 3 (фиг. 4) включает зарядово-чувствительный предусилитель 23, усилитель-формирователь 24 и устройство 25 выборки и хранения. При этом первый вход спектрометрического тракта 3 соединен с входом предусилителя 23, выход которого подключен к входу усилителя-формирователя 24. Выход усилителя-формирователя 24 соединен с первым входом устройства 25 выборки и хранения, второй вход которого подключен ко второму входу спектрометрического тракта 3, а выход устройства 25 выборки и хранения соединен с выходом спектрометрического тракта 3.
Настоящее устройство регистрации ионизирующего излучения работает следующим образом.
Выходными сигналами полупроводникового детектора 1 являются электрические заряды, образованные частицами ионизирующего излучения на выходах 1-64 полосковых электродов детектора 1, и заряды, образованные на омическом контакте 65 детектора 1. Причем сигнал на омическом контакте появляется при попадании частицы в любой из полосковых электродов. Для регистрации электрических зарядов с детектора 1 используют специализированную микросхему 2 большой степени интеграции, в которой зарядо-чувствительный предусилитель 23 преобразует входной заряд в импульс с пропорциональной ему амплитудой. Далее усилитель-формирователь 24 формирует на своем выходе колоколообразный сигнал, амплитуда которого фиксируется на устройства 25 выборки и хранения по внешнему сигналу.
Работа всего устройства осуществляется под управлением блоков, сконфигурированных в программируемой логической интегральной схеме 8 (фиг. 1). Запуск цикла работы устройства осуществляется триггерным сигналом TRIG (фиг. 5). Сигнал TRIG формируется на выходе дискриминатора 7 нижнего уровня по сигналу "Событие" с омического контакта детектора 1 в момент регистрации ионизирующей частицы одним или несколькими полосковыми электродами детектора 1 (выходы 1…64). Сигнал TRIG поступает на вход блока 9 управления, где по нему со второго выхода блока 9 управления с задержкой на время формирования фронта импульса на усилителе-формирователе (УФ) 24 спектрометрического тракта 3 вырабатывается импульс HOLD, осуществляющий фиксацию на всех устройствах 25 выборки и хранения максимального амплитудного значения сигнала, сформированного усилителем-формирователем 24. Этим же импульсом HOLD производится разрешение работы генератора 13 серии импульсов по его первому входу. В течение импульса HOLD генератор 13 вырабатывает 64 импульса ASIC_Clk на вход мультиплексора 4. Для работы генератора 13 используются тактовые импульсы FPGA_Clk, поступающие с блока 9 управления на второй вход генератора 13. Сигналы с каждого спектрометрического тракта 3 последовательно выдаются (считываются) на выход специализированной микросхемы 2 с помощью аналогового мультиплексора 4. Время считывания, то есть нахождения напряжения на выходе мультиплексора, определяется интервалами между импульсами генератора. Эти интервалы определяются данными, последовательно вырабатываемыми памятью 16 типа FIFO, входящей в состав генератора 13. Напряжения ASIC_Out с выхода мультиплексора 4 усиливаются усилителем 5 и оцифровываются АЦП 6. Тактовые импульсы ADC_Clk для АЦП 9 вырабатываются с первого выхода блока 9 управления. Сигналы на входе АЦП 6 представляют собой последовательность напряжений, модулированную шумами и наводками. В зависимости от длительности считываемого сигнала и периода тактовых импульсов АЦП 6 производит от 1 до m раз измерений этого сигнала. Данные с АЦП 6 поступают на первый вход вычислителя 12, который работает под управлением тактовых импульсов ADC_Clk, поступающих на второй вход, и импульсов ASIC_Clk с выхода генератора 13, поступающих на третий вход. По результатам измерений, произведенных АЦП 6, вычислитель 12 определяет среднее арифметическое значение напряжения, с округлением до десятых, считываемое с каждого спектрометрического тракта 3. Результаты вычисления записываются в оперативную память 10 и передаются посредством блока 11 приема/передачи по USB интерфейсу на устройство 14 обработки и отображения информации.
Работа генератора 13 начинается после прихода на "Вх.1" генератора 13 (фиг. 2) импульса HOLD с блока 9 управления. Длительность этого импульса определяется блоком 9 управления по количеству импульсов, выработанных генератором 13. Их должно быть 64. На счетный вход счетчика 15 поступают тактовые импульсы FPGA_Clk, вырабатываемые блоком 9 управления. Через некоторое время, когда двоичное число в счетчике 15 совпадет с числом в памяти 16, компаратор 17 выработает импульс, по которому одновибратор 18 выработает на выход генератора 13 первый импульс из 64 импульсов серии ASIC_Cik. По нему память FIFO выработает на своем выходе второе слово и сбрасывает счетчик в состояние " все 0". Далее таким же способом вырабатываются последующие импульсы серии ASIC_Clk, интервал Т между которыми определяется числом в памяти К и периодом t1 таковых импульсов с блока 9 управления, то есть T=K×t1. Блок 9 управления осуществляет подсчет импульсов в серии ASIC_Clk и, по достижению их числа 64, прекращает выработку сигнала HOLD на входе "Вх.1", то есть сбрасывает счетчик 15 и запрещает его работу. Следует заметить, что число в первом слове определяет задержку на выработку первого импульса с генератора 13 по отношению к сигналу HOLD.
Работа вычислителя 12 (фиг. 3) осуществляется следующим образом. Вход "Вх.1" подключен к первому входу сумматора 19. Через Вх.1 подаются данные с АЦП 6. Вход "Вх.2" подключен к входу записи регистра 20 суммы и к счетному входу счетчика 21. На вход "Вх.2" подают тактовые импульсы ADC_Clk. Вход "Вх.3" подключен к входам сброса регистра 20 суммы, счетчика 21 и к входу исполнения деления делителя 22. На этот вход подают импульсы ASIC_Clk. По положительным перепадам импульсов ADC_Clk, поступающим по входу "Вх.2", регистра 20 суммы записывается сумма чисел, содержащихся в данном регистре и поступающих с АЦП 6 на вход "Вх.1". Счетчик 21 подсчитывает число импульсов ADC_Clk. Исполнение деления осуществляется по положительному перепаду импульса из серии ASIC_Clk, поступающего на вход "Вх.3", а сброс регистра 20 суммы и счетчика 21 по отрицательному перепаду. Деление делается с округлением до десятых. Таким образом, по отрицательному перепаду импульса ASIC_Clk счетчик 21 и регистр 20 суммы сбрасываются. После чего осуществляет подсчет импульсов ADC_Clk, до момента прихода следующего импульса ASIC_Clk. За это время сумматор 19 суммирует данные пришедшие с АЦП 6. В процессе суммирования сумма фиксируется в регистре 20 суммы. По положительному перепаду импульса ASIC_Clk осуществляется исполнение деления. Результаты вычисления записываются в оперативную память 10 и передаются через блок 11 приема/передачи по USB интерфейсу в устройство 14 обработки и отображения информации.
+
Изготовленный в соответствии с настоящей полезной моделью опытный образец устройства регистрации ионизирующего излучения для позиционно-чувствительных систем (фиг. 6) представляет собой законченный модуль, конструктивно выполненный в одном корпусе, имеющим лицевую панель и содержащим печатную плату с расположенным на ней односторонним пленарным кремниевым детектором, на одной стороне которого расположено 64 сигнальных полосковых электрода, а на другой расположен слой n типа проводимости, имеющий омический контакт. Все электроды соединены с специализированной микросхемой большой степени интеграции IDE1140. На плате находится усилитель токового сигнала с IDE1140 и предусилитель сигнала с омического контакта, а сама плата расположена перпендикулярно к основной печатной плате и соединена с ней через ножевой разъем. На основной плате находятся усилители аналого-цифровой преобразователь, дискриминатор нижнего уровня, элементы сдвига уровней управляющих сигналов, программируемая логическая интегральная микросхема EP3C16Q240 оперативная память, USB приемник/передатчик и другие элементы.
Имеются физической задачи по мониторингу ионного пучка, в которых предполагается иметь повышенную статистическую точность с 8-ми центральных полосковых электродов. Остальные регистрируют фоновые сигналы с меньшей точностью. Для этого с 8-ми электродов было установлено время считывание по 5 мксм, с остальных 56-ти - по 0,5 мксм. Тактовая частота АЦП составляла 10 МГц. В расчет не принимались коды с АЦП, полученные выборками в начале и конце времени считывания. Таким образом, время считывания сигналов с IDE1140 с 8 электродов составляло 40 мксм, с оставшихся 56 - 28 мксм, общее время считывание - 68 мксм. При постоянном времени считывания со всех каналов общее время составило бы 320 мкс.
В дальнейшем предполагается построение координатно-чувствительных систем с использованием специализированных микросхем большой степени интеграции типа IDE1140 в последовательном включении, когда количество спектрометрических трактов будет увеличено до 128 и более.