СПОСОБ КАЛИБРОВКИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ТРАКТА
METHOD FOR CALIBRATION OF SCINTILLATION CIRCUIT

Изобретение относится к ядерной спектрометрии и предназначено для оперативной настройки тракта регистрации гамма-спектра ядерного материала.
Сцинтилляционный тракт состоит из собственно сцинтиллятора, оптического детектора (например, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)), канала передачи электрических импульсов на анализатор (книга «Приборы для измерения ионизирующих излучений», авторы В.В.Матвеев, Б.И.Хазанов, М., 1972, стр.192-196).
Необходимость проведения калибровки спектрометрического тракта вызвана уходом с течением времени или под воздействием окружающей среды параметров самого сцинтиллятора и ФЭУ, что приводит к изменению коэффициента усиления тракта и, как следствие, к снижению достоверности полученной информации.
Как правило, калибровка спектрометрического тракта осуществляется с помощью эталонного калибровочного радиоактивного источника, который размещают на поверхности сцинтиллятора и в регистрируемом спектре находят пик, соответствующий данному эталонному источнику (книга «Приборы для измерения ионизирующих излучений», авторы В.В.Матвеев, Б.И.Хазанов, М., 1972, стр.30-33).
По положению пика делают привязку регистрируемого спектра по энергии квантов.
Однако в некоторых случаях использовать эталонный источник затруднительно, например при осуществлении контроля отработавшего ядерного топлива внутри защитной камеры. Кроме того, использование эталонного источника исключает оперативную калибровку в любой момент времени и не обеспечивает выделения вклада в нестабильность отдельных узлов тракта.
Известен ряд устройств, в которых для стабилизации коэффициента усиления спектрометрического тракта используется реперный источник света. Сущность способа состоит в подаче импульсов света стабильной энергии на вход оптического детектора сцинтилляционного тракта и использовании информации об изменении амплитуды световых импульсов для оценки состояния оптического детектора (пат. РФ №1436663, МПК G01T 1/20, опубл. 1996).
Недостаток способа заключается в том, что не учитывается вклад в нестабильность тракта самого сцинтиллятора, а также линии подвода светового излучения от сцинтиллятора к ФЭУ, если существует необходимость в ее применении.
Задача настоящего изобретения состоит в создании способа, позволяющего осуществлять процесс калибровки в любой момент времени и определять вклад каждой составной части тракта регистрации в выявленную в процессе калибровки нестабильность.
Поставленная задача решается следующим образом.
В способе калибровки сцинтилляционного тракта с использованием последовательности эталонных световых импульсов, подводимой на вход детектора, согласно изобретению на сцинтиллятор тракта подают вторую последовательность эталонных световых импульсов, смещенную относительно первой по времени, и на выходе оптического детектора анализируют энергетический спектр первых и вторых импульсов по отношению к исходному спектру, полученному в процессе однократной исходной калибровки с использованием эталонного калибровочного радиоактивного источника.
Эталонные световые импульсы могут обеспечить достоверную информацию об уходе параметров каждого из узлов тракта в отдельности за счет изменения своего положения в спектральной картине относительно исходного. При этом процесс калибровки может происходить периодически или непрерывно в процессе измерений, т.к. энергию эталонных световых импульсов можно задать вне пределов измеряемого диапазона.
Кроме того, при вынесенном оптическом детекторе из зоны ионизирующего излучения его связь со сцинтиллятором осуществляют через световод, на вход которого со стороны сцинтиллятора в направлении на оптический детектор подают третью последовательность эталонных световых импульсов, смещенную по времени относительно первых двух, амплитудный спектр которой также подвергают анализу на выходе оптического детектора.
Таким образом контролируется состояние световода, поскольку он также может изменять свои параметры под неблагоприятным воздействием окружающей среды.
Кроме того, последовательности эталонных световых импульсов подают на входы узлов тракта с помощью оптических линий связи, например оптических волокон.
При указанных выше построениях оптического тракта вторую последовательность световых импульсов подают на сцинтиллятор со стороны, противоположной сбору света со сцинтиллятора на оптический детектор и в направлении на него.
Это позволяет контролировать состояние всего объема сцинтиллятора при прямом прохождении через него эталонных световых импульсов.
Кроме того, одно из оптических волокон, подводящих эталонные световые импульсы к узлам тракта, расположенным в идентичных условиях неблагоприятного воздействия, например в зоне радиоактивного загрязнения, имеет существенно большую длину, задаваемую, например, в виде петли, располагаемой в указанных условиях.
Благодаря этому учитывается неблагоприятное воздействие окружающей среды на оптические волокна, которые также чувствительны к климатическим или радиационным воздействиям. Оптическое волокно с большей длиной накопит большее количество дефектов под воздействием неблагоприятного воздействия и заметно ослабит энергию входных эталонных световых импульсов.
Кроме того, при вынесенном оптическом детекторе из зоны ионизирующего излучения (в другом варианте выполнения тракта) осуществляют связь оптического детектора со сцинтиллятором через полый световод с внутренними светоотражающими стенками и вторую последовательность эталонных световых импульсов подают на сцинтиллятор со стороны оптического детектора через полый световод, а на выходе оптического детектора анализируют энергетический спектр обратноотраженных от внутренних стенок сцинтиллятора и световода световых импульсов второй последовательности.
Такое исполнение тракта целесообразно в условиях экстремально высоких уровней мощности дозы радиоактивного излучения, в частности при контроле отработавшего ядерного топлива в защитной камере. Уход от использования оптического волокна в пользу полого световода с внутренними светоотражающими стенками, выполненного, например, из металла или керамики, позволяет ограничиться двумя эталонными импульсными последовательностями световых импульсов, при этом вторая последовательность световых импульсов служит для контроля параметров как сцинтиллятора, так и полого световода.
Кроме того, в процессе калибровки предлагается регистрировать сигналы только во время подачи световых импульсов.
При этом процедура анализа спектра выходных импульсов существенно упрощается, т.к. в регистрируемом спектре сохраняется практически неискаженное амплитудное распределение только от эталонных световых импульсов. Совпадение световых импульсов от регистрируемого ионизирующего излучения и эталонных световых импульсов является маловероятным событием.
На фиг.1 показан вариант реализации способа, когда и сцинтиллятор 1, и оптический детектор 2 размещены в зоне воздействия радиоактивного излучения или иного неблагоприятного воздействия, например климатического. За пределами этой зоны размещены источник 3 последовательностей световых эталонных импульсов и амплитудный анализатор 4 импульсов, подключенный к выходу оптического детектора 2. Оптическое волокно 5 соединяет первый выход источника 3 и вход оптического детектора 2, оптическое волокно 6 соединяет второй выход источника 3 и вход сцинтиллятора 1.
На фиг.2 (а, б, в, г) приведены энергетические спектры для приведенного выше варианта реализации способа.
На фиг.3 показан вариант реализации способа, где оптический детектор 2 вынесен за пределы зоны воздействия ионизирующего излучения или неблагоприятного воздействия и соединен с выходом сцинтиллятора 1 с помощью световода 7, например твердотельного. Выход оптического детектора 2 также подключен ко входу амплитудного анализатора 4. Вход световода 7 соединен с дополнительным выходом оптически стабилизированного источника 3 дополнительным оптическим волокном 8. Одно из оптических волокон, находящихся в зоне неблагоприятного воздействия, имеет длину, существенно большую, чем другое. Это можно организовать созданием своеобразной петли 9.
На фиг.4 а, б, в, г, д приведены энергетические спектры для данного варианта реализации способа.
На фиг.5 приведен вариант реализации способа, где оптический детектор 2 вынесен за пределы зоны неблагоприятного воздействия и соединен с выходом сцинтиллятора 1 с помощью полого световода 10 с внутренними светоотражающими стенками. Сцинтиллятор 1 и часть полого световода 10, выполненного, например, из металла, расположены в коллиматоре 11. Противоположный конец световода 10 примыкает непосредственно к оптическому детектору 2 в защитной стенке 12, соединенному с амплитудным анализатором 4. На управляемые светодиоды 13 и 14 подаются первая и вторая последовательности импульсов с выходов источника 3 последовательностей эталонных световых импульсов.
Способ реализуется следующим образом.
Вначале осуществляют исходную калибровку с использованием эталонного радиоактивного источника и последовательностей эталонных световых импульсов, подаваемых на проверяемые узлы сцинтилляционного тракта (фиг.2а и фиг.4а). Для упрощения изложения первой последовательности импульсов, подаваемой на вход оптического детектора 2, соответствует импульс А, второй последовательности импульсов, подаваемой на сцинтиллятор 1, соответствует импульс Б (фиг.2) и третьей импульсной последовательности, подаваемой на световод 7, соответствует импульс В (фиг.3). Энергии импульсов в каждой последовательности и энергия эталонного радиоактивного источника заранее заданы. Для выделения положения пиков световых импульсов разных типов калибровок сигналы с детекторов регистрируются выборочно - только во время подачи световых импульсов. Затем эталонный радиоактивный источник удаляют из зоны измерения и дальнейшие калибровочные действия, в том числе в ходе эксплуатации и непосредственно в процессе измерения гамма-спектров, осуществляют только с использованием световых импульсов. Если амплитудное распределение импульсов на протяжении всего измерения остается идентичным первоначальному, значит параметры тракта неизменны и нет необходимости в корректировке работы его узлов или учете погрешностей в процессе программной обработки спектра. Однако, если происходит смещение по амплитуде в сторону уменьшения импульсов Б, А (фиг.2, 6) и импульса В (фиг.4, 6), это расценивается как уход параметров оптического детектора, и делается вывод о необходимости корректировать работу оптического детектора.
Если происходит смещение в сторону уменьшения амплитуды только импульса Б (фиг.2в и фиг.4в), делают вывод о радиационном (или ином) повреждении сцинтиллятора 1 или нарушении его оптического контакта со световодом или оптическим детектором, и это смещение учитывают коррекцией полученного спектра при программной обработке. В дальнейшем сцинтиллятор заменяют.
Если происходит смещение импульсов Б и В во втором варианте (фиг.4г) в сторону уменьшения амплитуды при сохранении местоположения импульса А, делают вывод о радиационном (или ином) повреждении световода 7, и полученное смещение также используют при программной обработке спектра, внеся в него соответствующую коррекцию.
И, наконец, ярко выраженное смещение импульса А (фиг.2г) или импульса В (фиг.4д), соответствующих световым импульсам, прошедшим через оптические волокна существенно большей длины, свидетельствует о радиационном (или ином) повреждении оптического волокна. При этом неизбежно происходит смещение импульса Б (фиг.2г, фиг.4д) за счет радиационного (или иного) повреждения волокна, по которому поступает световой импульс на вход сцинтиллятора. В этой ситуации не требуется ни корректировка работы оптического детектора, ни корректировка спектра.
Таким образом, реализация способа требует привлечения программных средств для обработки полученной информации и несложной обратной связи с выхода анализатора импульсов на управляющий вход оптического детектора для изменения его коэффициента усиления при уходе его параметров, что является достаточно легко реализуемым.