СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ

Полезная модель относится к области разработки и метрологического обеспечения геофизической аппаратуры и, в частности, может быть использована в разработке сцинтилляционных детекторов гамма-излучения.
Известна установка гамма-каротажа УПГК (С.И. Дембицкий. "Оценка и контроль качества геофизических измерений в скважинах". М.: Недра, 1991, с. 47), содержащая размещенные на одной линии источник гамма-излучения и калибруемый детектор, между которыми установлен свинцовый экран. Калибровка осуществляется путем автоматического перемещения источника излучения на заданное расстояние от детектора при фиксированной толщине экрана, либо при фиксированном расстоянии от источника излучения до детектора калибруемого скважинного прибора, но со сменными свинцовыми экранами различной толщины.
При автоматическом смещении источника излучения для обеспечения высокой точности калибровки необходимо источник излучения перемещать от детектора на расстояние до четырех метров. Во втором случае, при фиксированном расстоянии от источника излучений до детектора, габаритные размеры установки существенно снижаются, но смена экранов производится вручную. Это приводит к значительным временным затратам, снижает точность результатов калибровки в связи с влиянием человеческого фактора.
Также известно устройство для калибровки скважинных приборов гамма-каротажа (RU 2231810 C1 МПК G01V 13/00), предназначенное для работы со стандартными гамма-датчиками, используемыми в промышленности. Устройство содержит излучатель с источником гамма-излучения, калибруемый детектор и экран, расположенный между излучателем и детектором, выполненный в виде цилиндрической кассеты, заполненной поглотителями с различной степенью поглощения гамма-излучения. Поглотители изготовлены из образцов горных пород.
В указанных аналогах отсутствует источник калиброванных коротких вспышек света, поэтому невозможно провести измерения параметров фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в частности, измерить степень нелинейности преобразования светового сигнала в электрический при различных напряжениях на динодах и, руководствуясь этой характеристикой, выбрать наилучший диапазон. На установках не установлены датчики температуры, поэтому данные устройства не позволяют получить данные о зависимости параметров сцинтилляционных датчиков и ФЭУ от температуры. Тем самым установки не обеспечивают достаточной точности измерений. Указанные выше аналоги предназначены для ограниченной задачи - калибровки стандартных гамма-датчиков и не могут быть использованы при разработке инновационных сцинтилляционных датчиков, использующих кристаллы различных форм и габаритов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в достижении высокой точности измерений и расширении эксплуатационных возможностей установки за счет использования комбинации светодиодного источника калиброванных коротких вспышек света и излучателя с эталонным источником гамма-излучения и глубокой автоматизации процесса.
Эксплуатационные возможности полезной модели при сохранении сходных возможностей прототипа позволяют дополнительно измерить базовые характеристики отдельных частей гамма-датчиков:
1. Степень нелинейности преобразования в ФЭУ световых вспышек в электрические сигналы. Измерения обеспечиваются наличием на стенде светодиодного источника калиброванных коротких вспышек света. Измерение данного параметра при различных напряжениях на динодах позволяет выбрать диапазон работы, обеспечивающий максимально приближенную к линейной зависимость выходного сигнала от интенсивности светового излучения и тем самым повысить конечную точность измерений.
2. Уровень нестабильности работы датчиков во времени и в зависимости от температуры. Измерения обеспечиваются наличием на стенде температурного датчика, закрепленного на сцинтилляционном кристалле, что позволяет получить данные о зависимости параметров датчиков и ФЭУ от температуры, выявить допустимые рабочие пределы рабочего диапазона.
Кроме вышеперечисленных возможностей стенд позволяет проводить стандартные измерения в режиме реального детектирования, в частности, измерение важнейшего параметра - изменение разрешения по линии 662 кэВ (Cs) при различной интенсивности излучения и колебаниях температуры. При этом изменение интенсивности эталонного источника гамма-излучения достигается путем размещения сменных свинцовых экранов на оптической оси межу эталонным источником и гамма-датчиком.
Технический результат достигается в стенде для проведения испытаний сцинтилляционных датчиков, включающем фотоэлектронный умножитель с блоком усиления, сцинтилляционный кристалл, соединенный с фотоэлектронным умножителем, источник калиброванных вспышек света для симуляции сцинтилляционного светового излучения, связанный с фотоэлектронным умножителем с помощью световода, эталонный источник гамма-излучения и сменные свинцовые экраны, расположенные на одной оптической оси с фотоэлектронным умножителем, датчик температуры, закрепленный на сцинтилляционном кристалле, и управляющий компьютер, связанный с фотоэлектронным умножителем и источником калиброванных вспышек света.
Стенд позволяет проводить работы по измерению технических параметров как отдельных частей датчиков, например, ФЭУ, так и детектора в сборе. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации формы и размеров сцинтилляционных кристаллов, изготовленных из различных материалов.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда, где:
1 - фотоэлектронный умножитель с блоком питания,
2 - АЦП с системой обработки сигнала,
3 - светодиодный источник калиброванных вспышек света,
4 - эталонный источник гамма-излучения,
5 - сцинтилляционный кристалл,
6 - датчик температуры,
7 - сменные свинцовые экраны,
8 - компьютер.
д
Фиг. 2. Среднеквадратичное отклонение в зависимости от интенсивности световых вспышек на входе (относительных единиц) при V=1000 В.
137
Принципиальная схема стенда представлена на Фиг. 1. Фотоэлектронный умножитель 1 предназначен для преобразования световых сцинтилляционных вспышек или светового излучения от источника калиброванных вспышек в электрический сигнал и его усиления. АЦП с системой обработки сигнала 2 необходимы для преобразования выходного сигнала в цифровую форму. Блок питания ФЭУ позволяет задавать и регулировать напряжение на динодах ФЭУ. Светодиодный источник калиброванных вспышек света 3 выдает вспышки света заданной интенсивности и частоты. Контроль интенсивности излучения светодиода проводится с помощью вспомогательного монитора излучения на кремниевом фотодиоде. Длина волны генерируемого света соответствует длине волны сцинтилляционных вспышек. Источник соединен со сцинтилляционным кристаллом с помощью световода. Эталонный источник гамма-излучения 4 предназначен для получения моноэнергетического пучка гамма-квантов. Как правило, используется радиоактивный источник Cs. Сцинтилляционный кристалл 5 изготавливается из различных материалов (например, NaI, CsI, ортогерманат висмута и др.) и предназначен для преобразования гамма-излучения, поступающего от эталонного источника, в световой поток, который пропорционален энергии регистрируемого фотона (гамма-кванта). Датчик температуры 6 служит для измерения рабочей температуры детектора и крепится на боковой поверхности сцинтилляционного кристалла. Сменные свинцовые экраны различной толщины 7 располагаются на оптической оси межу эталонным источником излучения и гамма-датчиком. Персональный компьютер 8, связанный с ФЭУ и источником калиброванных световых вспышек, служит для управления работой стенда и регистрацией результатов.
Стенд работает следующим образом.
Предварительно на стенде измеряются ключевые параметры работы ФЭУ. Для достижения высоких базовых характеристик гамма-спектрометра (точность и стабильность во времени измерения интенсивности излучения, термостабильность и быстродействие прибора, высокое разрешение по энергии детектируемых гамма-квантов) требуется максимально близкая к линейной зависимость напряжения на выходе ФЭУ от интенсивности светового излучения, выходящего из сцинтилляционного кристалла. Снимая зависимости напряжения на выходе ФЭУ от интенсивности светового излучения при различных напряжениях на динодах ФЭУ и рассчитывая среднеквадратичные отклонения от линейной зависимости подбирается оптимальный режим работы ФЭУ.
Для решения этой задачи с помощью световода световое излучение от светодиодного источника калиброванных коротких вспышек света подается на поверхность сцинтилляционного детектора в сборе, состоящего из ФЭУ и сцинтилляционного кристалла. Оптический контакт ФЭУ и сцинтилляционного кристалла обеспечивается за счет качественной склейки изделий специально подобранным клеем с промежуточным значением коэффициента преломления между значениями для стекла входного окна ФЭУ и материала кристалла. На боковую поверхность кристалла наносится светоотражающее покрытие. Система экранируется от посторонних источников света. Эталонный источник гамма-квантов перекрывается свинцовым экраном, полностью поглощающим излучение. От светодиодного источника калиброванных вспышек света на вход ФЭУ с определенной частотой поступают регулярные оптические вспышки с заданной длиной волны. Контроль интенсивности излучения светодиода проводится с помощью вспомогательного монитора излучения на кремниевом фотодиоде. Режим работы светодиодного источника подбирается с целью симулировать сцинтилляционный процесс в реальном кристалле. Так, для кристалла ортогерманата висмута, длина волны равняется 468 nm, продолжительность вспышки 8-20 ns, частота до 1 кГц, интенсивность может варьироваться в широких пределах. В ФЭУ слабый световой сигнал преобразуется в электрический и многократно усиливается. Электрический сигнал с выхода ФЭУ поступает на АЦП и систему обработки данных. Управление стендом осуществляется с помощью ПК. Измерения проводятся при различных напряжениях на динодах ФЭУ (700, 800, 900, 1000, 1100, 1300, 1500 В). Для каждого значения напряжения на динодах строится график зависимости напряжения на выходе ФЭУ от интенсивности световых вспышек, выраженной в условных единицах. Результаты экстраполируются линейным уравнением, затем для всех экспериментальных точек вычисляется среднеквадратичное отклонение, которое не должно превышать 1%. По результатам измерений и расчетов выбирается диапазон работы ФЭУ (напряжение на динодах) с наименьшими среднеквадратичными отклонениями от линейной зависимости.
137
1
1
2
2
После измерения параметров ФЭУ на стенде могут проводится испытания сцинтилляционных датчиков в режиме реального детектирования гамма-квантов, в частности может измеряется относительное изменение разрешения по эталонной линии 662 кэВ (Cs). Энергетическое разрешение по эталонной линии является важнейшим эксплуатационным параметром, характеризующим спектрометрические возможности гамма-датчиков. Стенд позволяет измерить его относительное изменение в зависимости от интенсивности излучения, времени и от изменений температуры. Энергетическое разрешение детектора представляет собой ширину пика полного поглощения на половине его высоты (FWHM). Для сцинтилляционных гамма-датчиков FWHM=(50-80) кэВ при энергии гамма-кванта 662 кэВ. При известном разрешении детектора R для энергетической линии E (эталона) оценка разрешения R для любой другой энергии Е может производиться по формуле:
137
Для проведения на стенде данных испытаний стенд содержит: сцинтилляционный детектор (гамма-датчик) в сборе, состоящий из ФЭУ и сцинтилляционного кристалла, систему АЦП и обработки сигнала и эталонный источник гамма-излучения. Светодиодный источник калиброванных коротких вспышек света отключается. Управление стендом осуществляется с помощью ПК. Излучение от эталонного источника гамма-излучения, расположенного на одной оптической оси со сцинтилляционным датчиком поглощается сцинтилляционным кристаллом, излучающим фотоны приблизительно пропорционально поглощенной энергии. Интенсивность гамма-излучения, поступающего на сцинтилляционный кристалл регулируется с помощью установки сменных свинцовых экранов между эталонным источником и гамма-датчиком. В ФЭУ слабое световое излучение преобразуется в электрический сигнал. Режим работы ФЭУ выбирается с учетом результатов предварительных измерений выполненных с применением светодиодного источника калиброванных коротких вспышек света. Критерием выбора является максимально близкая к линейной зависимость напряжения на выходе ФЭУ от интенсивности светового излучения. Аналоговый сигнал с выхода ФЭУ подается на АЦП и переводится в цифровую форму. Результат измерения получается в виде энергетического спектра излучения. На полученных спектрах выделяется пик полного поглощения по эталонной линии 662 кэВ (Cs) и вычисляется его ширина на половине высоты пика.
Для получения зависимости энергетического разрешения от температуры окружающей среды на боковой поверхности кристалла закрепляется датчик измерения температуры, датчик помещается в термостат с возможностью регулировать температуру в пределах -20°C+40°C. Измерения проводятся в установившихся режимах, после достижения датчиком заданного значения температуры.