СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СИГНАЛА В СПЕКТРАЛЬНОМ АНАЛИЗЕ
METHOD OF REGISTERING SCINTILLATION SIGNAL IN SPECTRAL ANALYSIS

Предлагаемое изобретение относится к способам регистрации сцинтилляционного аналитического сигнала и может быть использовано в спектральных анализаторах материалов с дисперсно-распределенной примесью.
Известен способ интегрально-сцинтилляционного спектрального анализа /патент РФ №2248556, G01N 21/67, 2005 г./. Способ включает испарение и атомизацию исследуемого материала, возбуждение его атомов в плазме источника возбуждения, регистрацию спектров излучения плазмы с применением интегрально-сцинтилляционного метода регистрации спектров, в котором используют периодическое накопление аналитических спектральных сигналов, и расчет результатов анализа. В способе создают условия для импульсного излучения атомов исследуемого материала в источнике возбуждения, а время периодического накопления сигнала делают больше 0,1 сек.
Известен способ интегрально-сцинтилляционного спектрального анализа вещества /патент РФ №2272277, G01N 21/67, 2006 г./. Проводят исследования частей представительной навески с помощью аналитического метода. При этом ведут регистрацию спектрального излучения путем интегрирования спектральных аналитических сигналов за время, меньшее удвоенного времени кратковременного проявления спектральных аналитических сигналов от неоднородностей вещества. Определяют элементный и фазовый состав вещества с использованием образцов сравнения. При расчетах учитывается фон, а периодические кратковременные синхронно накопленные сигналы сортируются по соотношению к флуктуациям шума для каждого из периодически накопленных спектральных сигналов.
Известен способ спектрального анализа порошковых проб /"Основы количественного спектрального анализа руд и минералов". Русанов А.К., 1978 г., стр.50-56, 326-336, Москва, "Недра", включающий введение порошковой пробы в плазму дугового разряда, регистрацию излучения спектральных линий элементов, входящих в состав частиц порошковой пробы, и фонового излучения, расположенного в спектре вблизи спектральных линий, оценку содержания определяемых элементов в пробе с учетом фонового излучения и анализа эталонов.
Недостатками известных способов спектрального анализа является невысокая точность и чувствительность анализа, особенно при определении труднолетучих компонентов /элементов, минералов/.
Ближайшим аналогом является способ сцинтилляционного спектрального анализа /Прокопчук С.И. Сцинтилляционный спектральный анализ в геологии. Иркутск, изд-во Институт геохимии, 1993 г., стр.8-13/. Способ включает подачу порошковой пробы в межэлектродный промежуток сцинтилляционной установки. Возбуждение спектра горизонтальной дугой. Полезный сигнал после усилителя поступает на вход пятиканального амплитудного анализатора, состоящего из дискриминаторов и счетчиков импульсов. Функция дискриминатора заключается в том, чтобы пропускать на счетчик импульсы, амплитуды которых превышают некоторый заданный уровень - уровень дискриминации. Исходный сигнал предварительно ограничивают (дискриминируют) по амплитуде. Задают некоторый уровень дискриминации из такого расчета, чтобы его величина была больше значения амплитуды фонового сигнала, тогда дискриминации будет подвергнут только импульсный сигнал: при этом в фоновом сигнале будет практически отсутствовать импульсная составляющая, и импульсный сигнал будет выделяться без значительной погрешности.
Недостатком прототипа является невысокая эффективность за счет того, что уровень дискриминации фиксирован и не меняется в процессе экспозиции. Так как в реальной ситуации амплитуда фонового сигнала значительно меняется со временем, поэтому уровень дискриминации нужно выбирать достаточно большим, больше чем максимальная амплитуда фонового сигнала за экспозицию. Если уровень дискриминации будет очень большим (больше чем максимальная амплитуда импульсного сигнала), то дискриминации как таковой не будет и дискриминационная фильтрация просто переходит к обычной ФНЧ фильтрации.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего повысить эффективность выделения и регистрации сцинтилляционного сигнала. Способ заключается в следующем:
Идея сцинтилляционного анализа заключается в регистрации аналитического сигнала от каждой частицы примеси. Для этого анализируемую пробу медленно вводят в источник низкотемпературной плазмы, где частицы примеси испаряются, затем концентрация полученного пара измеряется методом атомной абсорбции или регистрацией интенсивности излучения возбужденных паров.
Для успешного применения данной методики необходимо выполнение, так называемого, «принципа сцинтилляции», который заключается в том, что скорость подачи пробы в плазменный источник выбирается такой, чтобы в каждый момент времени в нем находилось не более одной частицы примеси. Тогда имеется возможность регистрации аналитического сигнала (сцинтилляции) от каждой отдельной частицы.
В реальных пробах размеры частиц примеси распределены по логнормальному закону. Наиболее типичным будет случай, когда мелкие (субмикронные) частицы будут регистрироваться одновременно (т.е. в источнике плазмы в каждый момент времени будет находиться несколько мелких частиц), что приведет к поднятию фона аналитического сигнала, а крупные частицы будут давать одиночные заметные импульсы аналитического сигнала.
На практике будет иметь место некоторый промежуточный случай, когда часть мелких частиц (которых много) будет перекрываться и давать поднятие фона аналитического сигнала, неотличимого от поднятия фона, вызванного наличием растворенной примеси, а часть крупных частиц будут давать на этом фоне заметные импульсы.
Идея дискриминационной фильтрации заключается в том, что исходный сигнал предварительно ограничивают (дискриминируют) по амплитуде. Задают некоторый уровень дискриминации D из такого расчета, чтобы его величина была больше значения амплитуды фонового сигнала, тогда дискриминации будет подвергнут только импульсный сигнал:
при этом в фоновом сигнале будет практически отсутствовать импульсная составляющая:
и импульсный сигнал будет выделяться без значительный погрешности:
D
Ясно, что чем ниже уровень дискриминации, тем точнее выделяется импульсная составляющая. Но здесь имеется одно ограничение. Если уровень дискриминации будет ниже амплитуды фона, то дискриминации будет подвергаться и фоновый сигнал, что приведет к некорректному разделению, т.к. в импульсном сигнале I(t) будет присутствовать постоянная составляющая. В предельном случае, когда уровень дискриминации равен нулю фильтрации как таковой вообще не будет, т.к. фоновый сигнал (4) также будет равен нулю.
В реальной ситуации амплитуда фонового сигнала значительно меняется со временем, поэтому уровень дискриминации нужно выбирать достаточно большим, больше чем максимальная амплитуда фонового сигнала за экспозицию. Если уровень дискриминации будет очень большим (больше чем максимальная амплитуда импульсного сигнала), то дискриминации как таковой не будет, и дискриминационная фильтрация просто переходит к обычной ФНЧ фильтрации, которую используют для отслеживания уровня фона.
Схема разделения сигналов с использованием дискриминационной фильтрации, приведена на фиг.1, где 1 - дискриминатор, 2 - фильтр высоких частот (ФВЧ). Исходный модельный сигнал тот же, что и для ФНЧ выделения. Постоянная ФВЧ - 10 мс.
Разделение сигналов с использованием дискриминации показано на фиг.2. Уровень дискриминации D=2, а), б), в) - соответственно: исходный сигнал; фоновый сигнал; импульсный сигнал.
Из этих данных видно, что ограничение импульсного сигнала по амплитуде приводит к тому, что значительно меньшая его часть проходит в фоновый сигнал и соответственно импульсный сигнал выделяется значительно точнее. За счет использования дискриминации постоянную ФВЧ можно выбирать значительно меньше, чем при обычной НЧ фильтрации. В результате чего фоновый сигнал также выделяется значительно правильнее.
Из этих чертежей видно, что в данном конкретном случае уровень дискриминации нельзя опускать ниже 2, т.к. в этом случае дискриминации будет подвергаться и фоновый сигнал. В результате этого в спектре дискриминированного сигнала присутствует значительная часть спектра импульсного сигнала. Решить эту проблему можно, используя динамическую дискриминацию.
Идея динамической дискриминации заключается в том, что уровень дискриминации устанавливается не фиксирование, а относительно текущего значения фона. В том случае его величину можно выбрать значительно меньшей, чем при фиксированной дискриминации, т.к. в любом случае фон не будет подвергаться дискриминации. Величина уровня динамической дискриминации будет определяться шириной шумовой дорожки фонового сигнала. Схема динамической дискриминации приведена на фиг.3.
Разделение сигналов с использованием динамической дискриминации. Уровень дискриминации D=0.2, а), б), в) - соответственно: исходный сигнал; фоновый сигнал; импульсный сигнал (фиг.4).
Для правильной работы данного способа необходимо запоминать значения фонового и исходного сигналов за период усреднения для того, чтобы знать предысторию дискриминации.
В общих чертах алгоритм динамической дискриминации работает следующим образом. Задается некоторый начальный уровень дискриминации и время установления фонового значения сигнала. Если в сигнале будет присутствовать импульс, то его амплитуда будет превышать текущий уровень дискриминации, и дискриминатор обрежет амплитуду до уровня дискриминации. Затем определяется новое текущее значение фонового сигнала, и уровень дискриминации корректируется соответствующим образом. В процессе дискриминации импульсного сигнала значения фонового сигнала запоминается и не модифицируется. После окончания импульса восстанавливается обычный способ определения фонового сигнала - усреднением исходного сигнала. В этом способе имеется возможность задавать максимальную длительность дискриминируемого импульса. Если дискриминация продолжается достаточно долго, то это может означать, что в данном случае мы имеем дело не с импульсным сигналом, а с временным повышением значения фона из-за неравномерной работы распылителя или иных причин. Т.е. возможна дискриминация импульсного сигнала не только по амплитуде, но и по длительности. Дело упрощается тем обстоятельством, что реальные сцинтилляционные импульсы имеют достаточно узкий интервал длительностей (1-20 мс), что связано со спецификой формирования аналитического сигнала в плазменном источнике. Использование этой информации позволяет еще более точно выбрать величину уровня динамической дискриминации и производить фактически селективную дискриминацию импульсов.
Использование динамической дискриминации для регистрации импульсного сигнала позволяет проводить анализ проб, в которых одновременно присутствует равномерно-растворенная примесь и примесь, находящаяся в виде частиц.
Разделение исходного сигнала на фоновую и импульсную составляющие дает два аналитических параметра. Первый - средняя за экспозицию амплитуда фонового сигнала
которая содержит информацию о содержании равномерно-растворенной примеси и примеси в субмикронных частицах. Вторым параметром может являться выражение:
который пропорционален содержанию примеси, находящейся в дискретном состоянии, т.е. в виде частиц.
Отдельные импульсы выделяются из импульсной составляющей сигнала по традиционной схеме: Задается уровень регистрации, и, если амплитуда превышает этот уровень, формируется логический сигнал «частица» и происходит определение характеристик импульса.
Способ осуществляется следующим образом:
Итоговая схема одновременной регистрации фонового и импульсного сигналов с использованием динамической дискриминационной фильтрации приведена на фиг.5.
В данную схему дополнительно введен фильтр сверхвысоких частот 3 для подавления шумовой составляющей сцинтилляционного сигнала. Это сделано для более устойчивой работы схемы динамической дискриминации и выделения одиночных импульсов из импульсного сигнала. В схему также входит схема регистрации 4 анализатор 5.
r
Уровень дискриминации D и уровень регистрации U настраивают таким образом, чтобы от пробы, не содержащей дискретную примесь, не регистрировалось ни одного импульса. В качестве пробы, не содержащей дискретную примесь, могут использоваться пробы, где элемент введен в масло в виде растворенного металлоорганического комплекса, например стандартный образец типа Conostan.
Исключить влияние дискретной компоненты примеси на фоновый сигнал в общем случае нельзя, т.к. если частицы мелкие и велика их концентрация, то для них нарушается принцип сцинтилляции, что приводит к поднятию фоновой составляющей.
При включении анализатора первичный уровень дискриминации настраивается по фону излучения чистой плазмы, без введения в нее анализируемой пробы, и запоминается. При приходе импульсного сигнала, вырабатывается команда, на регистрацию импульса и на включение времени регистрации, равном 30 мс, по прошествии указанного времени снова задается уровень дискриминации, который запоминается и остается неизменным до следующего сигнала. По окончании экспозиции снова измеряется фоновый сигнал излучения чистой плазмы и сравнивается с первичным уровнем. Изменение фоновых сигналов от чистой плазмы характеризует дрейф системы регистрации, а превышение фонового сигнала в течение экспозиции над сигналом от чистой плазмы указывает на наличие в плазме равномерно-растворенной примеси и примеси в субмикронных частицах.
Таким образом, использование динамической дискриминации сцинтилляционного сигнала позволяет:
- выделять импульсный сигнал с минимальным его искажением;
- выделять и регистрировать сигнал от растворенной примеси и примеси в субмикронных частицах;
- контролировать и учитывать дрейф аппаратуры в течение экспозиции и всего времени проведения измерений.