СПОСОБ КОРРЕКЦИИ СИГНАЛОВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА
METHOD OF CORRECTING SCINTILLATION DETECTOR SIGNALS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам стабилизации показаний сцинтилляционных детекторов при работе в широкой области изменения температур окружающей среды, в частности при работе в полевых условиях.
При разработке высокочувствительной дозиметрической и радиометрической аппаратуры с использованием сцинтилляционных блоков детектирования на основе кристаллов NaI(T1) и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), предназначенных для работы в широком диапазоне рабочих температур от минус 20°С до плюс 40°С, необходимо предусматривать систему термокомпенсации регистрируемого энергетического спектра.
Отсутствие термокомпенсации приводит к смещению измеряемого энергетического гамма-спектра при изменении температуры окружающей среды от нормальных условий, что в свою очередь ухудшает метрологические характеристики указанных средств измерений или полностью исключает возможность их применения по назначению в рабочих температурных условиях эксплуатации.
С этой целью применяются следующие способы:
а) термостатирование измерительного тракта;
б) электронная стабилизация с использованием светодиода, размещаемого между сцинтиллятором и ФЭУ;
в) электронная стабилизация с помощью реперного радионуклидного источника гамма-излучения, располагаемого вне или внутри сцинтиллятора;
г) переградуировка прибора с использованием образцовых спектрометрических радионуклидных источников гамма-излучения при рабочей температуре окружающей среды, отличной от нормальной температуры.
Термостатирование значительно усложняет конструкцию, требует повышенного энергопотребления, увеличивает стоимость разработки, изготовления и выпуска аппаратуры.
Электронная стабилизация с помощью светодиода требует закупки дорогостоящего сцинтилляционного блока со встроенным светодиодом, который стабилизирует только электронный тракт и не учитывает температурную зависимость самого сцинтиллятора. К тому же излучение светодиода не является полностью независимым от температуры.
Для эффективной температурной коррекции всего измерительного тракта, включая сцинтиллятор, с помощью радионуклидного источника необходим источник с «жестким» гамма-излучением, желательно монохроматичным, и активностью, обеспечивающей необходимую для коррекции статистическую загрузку. Использование данного метода приводит к увеличению собственного фона прибора и, как следствие, к значительному ухудшению чувствительности прибора, загрубению диапазона измерения.
Переградуировка может осуществляться только в стационарных условиях эксплуатации, при условии возможности ее проведения и наличия в комплекте поставки необходимого набора радионуклидных источников. В полевых условиях эта процедура невозможна в силу их условий эксплуатации.
Известен способ температурной коррекции показаний сцинтилляционных детекторов (патент США №7592587, опубл. 22.09.2009), включающий поглощение ионизирующего излучения на сцинтилляторе, преобразование светового излучения в последовательность электрических импульсов, параметры которых пропорциональны энергии поглощенного излучения, определение калибровочного коэффициента из параметра формы импульса по заданной математической функции, представляющей собой полином, определение истинного значения энергии поглощенного кванта с учетом полученного калибровочного коэффициента, генерирование выходного сигнала, основанного на откалиброванном сигнале детектора.
При этом математическая функция должна вычисляться индивидуально для каждого детектора.
Данный способ является наиболее близким к предложенному по технической сущности.
Недостатком способа является отсутствие стабильности качества коррекции, поскольку за счет естественного процесса старения кристалла происходит изменение параметров формы импульса. К такому же эффекту приводит эксплуатация кристалла в условиях повышенной радиационной нагрузки. Кроме того, при длительной эксплуатации происходит изменение параметров электронного тракта, и в первую очередь, характеристики ФЭУ. Поэтому использование в течение длительного времени в процессе коррекции выходного сигнала детектора первоначально измеренных параметров формы импульса приводит к снижению качества коррекции.
Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильности качества коррекции выходного сигнала детектора.
Указанный технический результат достигается тем, что способ коррекции зависящих от температуры сигналов, генерируемых сцинтилляционным детектором, включает поглощение ионизирующего излучения на сцинтилляторе, преобразование светового излучения в последовательность электрических импульсов, измерение аппаратного значения их амплитуды, пропорциональной энергии поглощаемого излучения, одновременное измерение температуры внутри детектора, вычисление среднего значения температуры за время измерения, определение калибровочного коэффициента, с учетом средней температуры, по заданной математической функции, представляющей собой полином, с предварительно определенными параметрами, определение истинного значения энергии поглощенного излучения с учетом полученного калибровочного коэффициента, генерирование на его основе выходного сигнала детектора.
При этом для определения параметров полинома используется величина относительного смещения положения пиков полного поглощения в энергетическом спектре в зависимости от температуры внутри детектора, измеряемой термодатчиком.
Основной отличительной особенностью способа является использование при расчете калибровочного коэффициента непосредственно измеряемого значения температуры, не связанного с временным изменением свойств сцинтиллятора и параметров электронной схемы, что и обеспечивает стабильность качества коррекции выходного сигнала детектора.
Предложенный способ может быть реализован в детекторах, которые наряду с типовыми узлами, такими как сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и средства преобразования и обработки данных, содержат термодатчик (например, АД-7314), устанавливаемый непосредственно после ФЭУ, максимально близко к продольной оси устройства.
При этом средства преобразования и обработки данных содержат, по крайней мере, усилители, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) и контроллер, конструктивно располагаемый в самом детекторе или выполненный в виде внешнего блока управления (например, ПЭВМ).
Экспериментальным путем было установлено, что при изменении температуры в диапазоне от -20°С до +40°С происходит смещение аппаратного значения энергии пиков полного поглощения, которое может достигать ±10% от положения пиков при нормальной температуре (20±5°С).
Исследования проводились с использованием детекторов гамма-излучения ПГИ-1.
изм.
Были определены положения (Е) пяти пиков полного поглощения энергий: 122 кэВ по кобальту-57, 662 кэВ по цезию-137, 898 и 1836 кэВ по иттрию-88 и 2614 кэВ по торию-232 в регистрируемых энергетических спектрах и средние показания термодатчика при восьми значениях температуры в термокамере (минус 20°С, минус 10°С, 0°, плюс 10°С, плюс 20°С, плюс 25°С, плюс 30°С и плюс 40°С).
изм.
ист.
Затем были вычислены отклонения Е относительно известных значений энергии пиков полного поглощения (Е), определенных при температуре 20±1°С.
Результаты эксперимента приведены в таблице 1, из которой видно, что значения относительного отклонения энергии пиков полного поглощения для каждой температуры одинаковы для всего энергетического диапазона 0,1-3 мэВ.
Таблица 1
Значения относительного отклонения энергии пиков полного поглощения для каждой температуры
Температура, °С
Энергия пиков полного поглощения (кэВ)
Т
122
662
898
1836
2614
42
0,9267
0,9285
0,9294
0,9281
0,928
30,2
0,9722
0,9728
0,9713
0,9703
0,9715
26
0,9901
0,9896
0,986
0,986
0,9881
21
1
1
1
1
1
11,2
1,0278
1,0276
1,0271
1,031
1,0284
1,2
1,0556
1,0407
1,0408
1,0502
1,046
-10,2
1,0421
1,0298
1,0321
1,0491
1,0384
-15,8
1,0278
1,014
1,0147
1,0344
1,024
изм.
ист.
Дальнейшая обработка полученных данных позволила получить усредненные значения калибровочных коэффициентов К=Е/Едля всего интервала температур и значения максимальной погрешности определения калибровочного коэффициента ΔК/К (%) для каждой температуры, приведенные в таблице 2, из которой следует, что для каждой температуры значение калибровочного коэффициента можно считать постоянным для всего энергетического диапазона, поскольку погрешность его измерения не превышает 1,1%.
Таблица 2
Значения погрешности определения калибровочного коэффициента
Т, °С
К
ΔК
ΔК/К, %
42
0,928
-0,001
0,1
30,2
0,9716
-0,001
0,1
26
0,988
±0,002
0,2
21
1
0
0
11,2
1,0284
0,003
0,3
1,2
1,0466
0,009
0,8
-10,2
1,0383
±0,011
1
-15,8
1,023
±0,011
1,1
Т
По полученным калибровочным коэффициентам методом наименьших квадратов были определены параметры аналитической функции K=f(Т), не зависящей от энергии гамма-излучения. Она с точностью 1-2% может быть представлена следующим полиномом третьего порядка
где Т - показание термодатчика, усредненное за время измерения энергетического спектра, °С.
Экспериментально полученная формула (1) заносится в память устройства обработки данных и используется в процессе измерений для температурной коррекции выходного сигнала детектора.
Конкретные значения коэффициентов полинома и его степень определяются заданным диапазоном рабочих температур и конструктивными особенностями детектора.
Аналогичные эксперименты были проведены на трех детекторах ПГИ-1. Полученные данные свидетельствуют о том, что параметры полинома могут быть определены на головных образцах серии и при сохранении элементной базы и конструкции распространены на все детекторы, изготовленные по единой технологии.
С учетом изложенного предлагаемый способ коррекции зависящих от температуры сигналов, генерируемых сцинтилляционным детектором, осуществляется следующим образом.
При включении детектора в среде, предполагающей наличие ионизирующего, например гамма-излучения, происходит его поглощение сцинтиллятором, преобразование посредством ФЭУ полученного светового излучения в последовательность электрических импульсов, их усиление, преобразование в цифровую форму АЦП и измерение контроллером аппаратного значения их амплитуды, пропорциональной энергии поглощаемых квантов.
Одновременно, с периодичностью измерения 1-2 секунды, производится измерение температуры внутри детектора посредством установленного в нем термодатчика. В контроллере производится вычисление средней температуры за время измерения и определение калибровочного коэффициента с учетом измеренной температуры по заданной математической функции (1), представляющей собой полином, в данном случае третьего порядка, с предварительно определенными по вышеописанной процедуре параметрами. С учетом полученного калибровочного коэффициента определяется истинное значение энергии поглощенных квантов и генерируется выходной сигнал, основанный на откалиброванном сигнале детектора.
Поскольку в заявляемом способе для расчета калибровочных коэффициентов используются только значения энергии поглощенных квантов и температуры, не зависимые от характеристик сцинтиллятора и параметров электронного тракта, предлагаемый способ коррекции обеспечивает стабильность результатов независимо от продолжительности использования детектора.
Таким образом, предложенный способ коррекции позволяет достаточно корректно проводить учет влияния температуры на показания приборов радиационного контроля.
Практическое применение предложенного способа показало снижение величины погрешности, вносимой изменением температуры, с 10% до 1,5%.