СПОСОБ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА СРЕД И РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВО
METHOD FOR ELEMENTAL ANALYSIS OF MEDIA AND APPARATUS REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области элементного анализа - качественного обнаружения и количественного определения содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов. Это могут быть жидкости, твердые материалы, газы. Элементный анализ позволяет ответить на вопрос - из каких атомов (элементов) состоит анализируемое вещество.
Элементный анализ является одной из важнейших задач на любом производстве, целью которой является контроль используемого сырья, производства, а также готовой продукции. Черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтепереработка, агропромышленность, геология, горно-добывающая промышленность и многое другое практически невозможны без наличия аналитических лабораторий, осуществляющих элементный анализ. Элементный анализ важен в эколого-аналитическом и санитарно-эпидемиологическом контроле, анализе продуктов питания и кормов, металлов и сплавов, неорганических материалов, особо чистых веществ, полимерных материалов, полупроводников, нефтепродуктов, обнаружении взрывчатых веществ и др., в медицинских и научных исследованиях.
Эффективность элементного анализа во многом зависит от инструментальных методов анализа. Среди инструментальных методов анализа широко распространены рентгенофлуоресцентная, атомно-эмиссионная, атомно-абсорбционная спектрометрия, спектрофотометрия и люминесцентный анализ, электрохимические методы (полярография, потенциометрия и др.), масс-спектрометрия (искровая, лазерная и др.), различные варианты активационного анализа. При выборе метода и методики анализа учитывают структуру анализируемых материалов, требования к точности определения, пределу обнаружения элементов, чувствительности определения, селективности и специфичности, а также стоимость анализа, квалификацию персонала, скорость проведения анализа, уровень необходимой пробоподготовки и наличие необходимого оборудования.
-12
-13
-3
Особо следует отметить радиоактивационный анализ. Радиоактивационный анализ - метод анализа вещества по характеру излучения радиоактивных изотопов, образующихся при бомбардировке исследуемого вещества ядерными частицами большой энергии. Радиоактивационный анализ обладает высокой чувствительностью и применяется для определения примесей в металлах, сплавах, полупроводниковых материалах и других веществах. Активационный анализ относится к основным ядерно-физическим методам обнаружения и определения содержания элементов в различных природных и техногенных материалах и объектах окружающей среды. Метод базируется на фундаментальных понятиях и данных о структуре атомных ядер, сечениях ядерных реакций, схемах и вероятностях распада радионуклидов, энергиях излучения, а также на современных способах разделения и предварительного концентрирования микроэлементов. Широкое распространение активационный анализ получил благодаря таким преимуществам перед другими методами, как низкие пределы обнаружения элементов (10-10 г·см), экспрессность и воспроизводимость анализа, возможность неразрушающего одновременного определения в пробе 20 и более элементов. Общим для всех методов активационного анализа является активация вещества нейтронами, γ-квантами или заряженными частицами и последующая регистрация спектрального состава излучения возбужденных ядер или образовавшихся радиоактивных изотопов. Наиболее распространены первые два метода. Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малым пробегом в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и при изучении поверхностных эффектов.
Основным минусом перечисленных методов являются высокие требования к пробоподготовке и большое или сравнительно большое время анализа, а в некоторых случаях, как, например, в случае γ-активационного анализа, громоздкость и нетехнологичность инструментального оборудования.
-3
-4
Для широкого круга задач элементного анализа при приемлемой точности, в пределах 10%, чувствительности и разрешающей способности около 10÷10% важны скорость элементного анализа и большая проникающая способность инструментальных средств обнаружения и контроля элементного состава. Это имеет место при идентификации скрытых закладок, находящихся в недоступных для визуального обозрения местах, например в контейнерах крупногабаритных грузоперевозок, закладок из взрывчатых веществ, контрабанды на постах таможенного контроля и т.п. Наиболее оптимальным сочетанием возможностей для идентификации элементного состава сред, находящихся в перечисленных условиях, обладает метод (способ) элементного анализа, основанный на спектральном анализе мгновенных γ-квантов, рождающихся при радиационном захвате нейтронов ядрами элементов.
Наиболее полно данный способ разработан и используется компанией Rapiscan Systems (www.rapiscansystems.com), в которой контроль количественного состава среды (идентификация элементного состава) осуществляется с помощью нейтронного облучения материалов посредством спектрального анализа γ-квантов, возникающих при взаимодействии быстрых нейтронов с материалами (веществами). Элементный анализ используется для контроля крупногабаритных кладей (контейнеров).
-5
-6
3
-3
-3
-4
В способе, предлагаемом в настоящей заявке, при элементном анализе также используется спектральный анализ γ-квантов, возникающих при радиационном захвате нейтронов ядрами элементов. Однако в отличие от методик, используемых компанией Rapiscan Systems, в предлагаемом способе анализируются спектры γ-квантов, рождающиеся при захвате только нейтронов, не вступающих с ядрами идентифицируемых элементов в реакции неупругого рассеяния [1]. Кроме того, в предлагаемом способе идентифицируется не только элементный состав, но и химический (молекулярный) состав. Использование модифицированного метода дискриминации временных интервалов существенно улучшает характеристики неперегружающегося спектрометра γ-квантов, увеличивает статистическую точность и уменьшает систематические погрешности. Погрешность измерений составляет не более 5÷15% при экспозициях (интервалах измерений) не более нескольких десятков секунд и чувствительности до 10÷10 г, например, в образцах из биологической ткани объемом V~1 см с удельным весом 1 г·см. В общем случае, метод позволяет оценивать концентрации элементов и химических соединений в конденсированных и газовых средах до 10÷10% с погрешностью менее 10%.
Авторам настоящей заявки представляется весьма перспективным использование выдвинутых предложений в медицине и особенно при лечении онкологических заболеваний. Новый метод лечения онкологических заболеваний, на который специалисты возлагают большие надежды, - это нейтрон-захватная терапия (НЗТ). Суть НЗТ состоит в следующем: в опухоль вводят препарат, содержащий бор-10 или гадолиний-157 и облучают ее пучком тепловых нейтронов большой интенсивности. Препарат обладает способностью накапливаться в опухоли, поэтому энерговыделение от образовавшихся в результате ядерной реакции частиц, уничтожающих клетки опухоли, происходит только в ней и здоровые ткани практически не повреждаются. Для полного излечения достаточно одного сеанса НЗТ. Развиваемая технология, это технология выбора для больных, которым другие методы лечения помочь не в состоянии.
-3
БНЗТ - Бор-Нейтрон-Захватная-Терапия - одно из центральных направлений современной нехирургической онкологии пока не выходит из разряда экспериментального вида лечения только в силу ряда технических, финансовых и иных факторов. Например: незначительное отступление от соответствующих критериев точности в определении концентрации препарата с бором, установленных специалистами-онкологами, и, как следствие, некорректность планирования сеанса терапии, может привести к гибели значительных областей здоровой ткани или к недостаточной дозе облучения опухолевой ткани, требующей повторных процедур, а следовательно, к опасности повышенного риска сеансов лечения. Поэтому разработка неинвазивных методов контроля содержания бора в области опухолевого роста непосредственно в процессе проведения НЗТ является принципиально важным фактором успеха терапии. Предлагаемый способ и оборудование для его реализации по идентификации элементного и химического состава сред позволяют определять концентрацию бора-10 в биологической ткани в пределах 10-40 мкг/г при удельном весе ткани ρ~1 г·см с погрешностью не более 10% за время в несколько десятков секунд и даже единиц секунд.
Известный способ идентификации элементного состава по спектральному анализу мгновенных γ-квантов, рождающихся при радиационном захвате быстрых нейтронов, используется в идентифицирующих установках компании Rapiscan Systems (www.rapiscansystems.com). Компания эффективно использует данный способ для контроля элементного состава крупногабаритных кладей в закрытых грузовых контейнерах. Недостатком известного способа является неоднозначность определения химического состава сред из-за несовершенства методики при составлении калибровочных опорных данных идентифицирующих калибровочных измерений.
Известен способ [2, 3], принятый за прототип, идентификации элементного состава по спектральному анализу мгновенных γ-квантов, образующихся в реакциях радиационного захвата нейтронов ядрами элементов. В рассматриваемом способе [2, 3] упоминается возможность идентификации химического (молекулярного) состава сред. Однако авторы нигде не описывают, как такая идентификация осуществляется. Недостатком способа является большая статистическая погрешность измерений и, в связи с этим, длительные экспозиции при проведении измерений. В предлагаемой заявке отмеченные недостатки отсутствуют.
Сущность предлагаемого способа определения элементного состава состоит в следующем: источник быстрых нейтронов размещают в замедляющем блоке, γ-спектрометром, использующим метод неперегружающегося линейного детектирования, регистрируют мгновенные γ-кванты, рождающиеся при радиационном захвате нейтронов ядрами элементов, определяют калибровочные отклики отдельных элементов, входящих в состав идентифицируемого образца, по аппаратурным спектрам γ-квантов, определяют концентрацию элементов в образце через весовые коэффициенты откликов элементов, отличающегося тем, что химический состав сред определяют по схеме: задают априорно химический состав - известные химические соединения - среды, определяют калибровочные отклики соединений через суммы калибровочных откликов элементов, входящих в состав соединений, определяют концентрации соединений и элементов в идентифицируемой среде, определяют концентрации элементов, входящих в состав соединений, устанавливают соответствие полученной суммарной концентрации элементов среды, с учетом элементов, входящих в состав идентифицируемых соединений среды, концентрации элементов среды, полученной идентифицирующей расшифровкой только элементного состава среды, при не совпадении при заданной погрешности суммарной концентрации элементов среды, полученной идентифицирующей расшифровкой с учетом элементов, входящих в состав идентифицируемых соединений среды, с концентрацией элементов среды, полученной идентифицирующей расшифровкой только элементного состава среды, процедуру, начинающуюся с априорного задания структуры соединений, повторяют. При выполнении процедур идентифицирующих измерений применяют γ-спектрометр, использующий метод неперегружающегося линейного детектирования с модифицированным методом дискриминации временных интервалов или, точнее, с методом двойной дискриминации временных интервалов (см. ниже, стр.18).
Известное устройство по идентификации элементного состава реализовано компанией Rapiscan Systems [4]. Недостатками используемого компанией устройства являются: использование изотопных источников быстрых нейтронов; невысокая разрешающая способность; невысокий уровень скорости элементного анализа, точности и чувствительности; отсутствие надежных критериев химического (молекулярного) состава контролируемых сред. К недостаткам реализованной установки следует также отнести следующее: идентифицирующая установка комплектуется различным вспомогательным оборудованием, что делает ее громоздкой и не всегда удобной. Вес установки может достигать 20÷25 тонн. Транспортировка установки осуществляется в неразобранном и в разобранном виде морским или железнодорожным способом.
В установке, реализуемой по предлагаемому способу, указанные недостатки отсутствуют.
Прототипом представленного изобретения является известное устройство по идентификации элементного состава, предложенное в работах [2, 3]. Метод оперативной идентификации и контроля, реализуемый установкой, основан на регистрации и расшифровке спектрального состава и выхода мгновенных γ-квантов, рождающихся при облучении нейтронами ядер элементов. В качестве источников нейтронов используются импульсные нейтронные генераторы. Недостатком устройства прототипа является низкая статистическая точность и, как следствие, длительные измерительные экспозиции (несколько десятков минут и более). Предложенное в настоящей заявке устройство лишено указанного недостатка.
-3
-4
Заявленный способ реализуют с помощью устройства, включающего источник нейтронов, блок замедления нейтронов, γ-спектрометр, использующий метод неперегружающегося линейного детектирования, программный блок, включающий библиотеку калибровочных характеристик (откликов γ-спектрометра в виде массивов аппаратурных спектров мгновенных γ-квантов, рождающихся при радиационном захвате нейтронов ядрами различных элементов), измерительный комплекс для регистрации аппаратурных спектров γ-квантов, блок программного комплекса преобразования весовых вкладов (весовых коэффициентов) поэлементных калибровочных характеристик в значения концентраций поэлементного состава, интерфейс преобразования измерительной информации в значения поэлементной концентрации в режиме on-line, отличающегося тем, что в устройство, реализующее способ элементного и химического анализа сред, установлен γ-спектрометр, использующий метод неперегружающегося линейного детектирования с модифицированным методом дискриминации временных интервалов или, точнее, с методом двойной дискриминации временных интервалов, позволяющий уменьшить на несколько десятичных порядков время измерительной процедуры по идентификации элементного и химического состава сред, установлен программный блок преобразования измерительной информации в энергетические спектры нейтронов, адаптированный для вычисления концентраций химических соединений и элементов сред на основе измерительной информации и использования модифицированных идентифицирующих калибровочных характеристик (откликов спектрометра), позволяющих оценивать концентрации элементов и химических соединений в конденсированных и газовых средах до 10÷10% с погрешностью менее 10%, устройство выполняется в стационарном и мобильном (портативном) вариантах.
Осуществление способа и работа установки поясняются следующими фигурами.
Фиг.1. Блок-схема стационарного варианта идентифицирующей установки конвейерного типа.
1 - импульсный источник нейтронов; 2 - блок замедления нейтронов; 3 - детекторы излучения (γ-спектрометр); 4 - Pentium I с программным блоком для обработки экспериментальных данных в режиме on-line; 5 - измерительно-регистрирующий комплекс; 6 - брикет ТБПО; 7 - конвейер.
Фиг.2. Временная зависимость энергии мгновенных γ-квантов радиационного захвата, поглощенной в детекторе, размещенном в нейтронном спектрометре по времени замедления.
8
 - H, v - C, --- - N, -··- - О, ···· - S, Δ - Cl,  - Fe, ― - Ni, -·- - Gd, + - U.
Фиг.3. Аппаратурные спектры γ-квантов.
133
152
137
60
1 -  - смесь радионуклидов (эксперимент); 2 - °°° - фон; 3 - +++ - Ba; 4 - *** - Eu; 5 - ♦♦♦ - Cs; 6 -  Co.
Фиг.4. Распределение временных интервалов N(T).
-1
-1
-1
д
Δ - расчет, <n>=1549 с; ° - эксперимент, <n>=1549 с, детектор - NaI(Tl), излучение - γ-кванты; • - эксперимент, <n>=1549 с, детектор - NaI(Tl), излучение - γ-кванты, уровень дискриминации временных интервалов Т=150 мкс.
Фиг.5. Детектор, функционирующий в режиме линейного детектирования.
вых
н
вх
9 - n, γ; 10 - сцинтиллирующий монокристалл; 11 - ФЭУ; 12 - выход фотоумножителя, R>1000 МОм; 13 - накопительный конденсатор, С; 14 - предварительный усилитель, R~1000 МОм.
137
60
Фиг.6. Исходный аппаратурный спектр φ(V) смешанного потока γ-квантов от радионуклидов Cs и Co. Эксперимент. Детектор: монокристалл - NaI(Tl).
Фиг.7. Сверточный аппаратурный спектр γ-квантов Ф(V) для <n>=0,01. Исходный аппаратурный спектр γ-квантов представлен на фиг.6.
94
137
60
94
137
60
Фиг.8. Аппаратурные спектры γ-квантов. Радионуклиды: Nb; Cs; Co. Детектор: монокристалл NaI(Tl) высотой h=18 см и диаметром d=20 см. С использованием дискриминации временных интервалов. ° - Nb; × - Cs+Со.
94
Фиг.9. Аппаратурный спектр γ-квантов. Радионуклид Nb. Детектор: монокристалл NaI(Tl) высотой h=18 см и диаметром d=20 см. Загрузка - 540 кГц. Без дискриминации временных интервалов.
Фиг.10. Распределение временных интервалов N(T), <N>=10 МГц.
1
2
Д
1 - Т; 2 - Т=Т;
.
Фиг.11. Блок-схема спектрометрической установки.
9 - γ-кванты; 10 - NaI(Tl) - сцинтиллирующий монокристалл; 11 - электронный фотоумножитель, оптически сочлененный с монокристаллом NaI(Tl); 12 - динод; 16 - электронный блок (зарядово-энергетический); 19 - блок с управляемым линейным пропускателем или линейными воротами; 22 - Г5-78 - генератор прямоугольных импульсов; 25 - усилитель и формирователь импульсов, выходящих с линейного пропускателя; 26 - одноплатный анализатор SBS-60; 4 - Pentium I, в слот которого вставлен одноплатный анализатор импульсов SBS-60; Примечание: 15, 17, 18, 20, 21, 23, 24 - коаксиальные разъемы, через которые осуществляется коммутация с различными электронными блоками спектрометрического комплекса.
Фиг.12. Блок-схема зарядового блока.
2
1
1
1
0
27 - таймер ИМС1; 28 - лицевая панель электронного блока; 11 - ФЭУ; 12 - выход динода фотоумножителя ФЭУ (11); 15, 17, 18, 20, 23 - разъем лицевой панели; 16 - электронный блок (зарядово-энергетический); 19 - линейный пропускатель или линейные ворота; 22 - генератор Г5-78; 29 - повторитель УДП15; 30 - вход ("ножка" 2) таймера ИМС1 (1); 31 - повторитель УДП18; 32 - конденсатор С; 33 - вход ("ножка" 4) таймера ИМС1 (27); 34 - таймер ИМС5; 35 - повторитель УДП42; 36 - формирователь ИМС7; 37 - повторитель УДП43; 38 - повторитель УДП28; 39 - повторитель УДП29; 40 - вход ("ножка" 2) таймера ИМС5 (34); 41 - накопительный конденсатор С, формирующий выходные импульсы таймера ИМС 2 (61) длительностью Т=Т, аналогичный накопительному конденсатору С (42); 42 - накопительный конденсатор С, участвующий в формировании импульсов на выходе таймера ИМС5 (34) длительностью Т=Т; 43 - вывод ("ножка" 6) таймера (ИМС5) (34); 44 - вывод ("ножка" 7) таймера (ИМС5) (34); 45 - вывод ("ножка" 3) таймера (ИМС5) (34); 46 - повторитель УДП25; 47 - формирователь ИМС6; 48 - повторитель УДП27; 49 - переключатель П; 50 - повторитель УДП20; 51 - вывод ("ножка" 7) таймера ИМС1 (27); 52 - вывод ("ножка" 3) таймера ИМС1 (27); 53 - повторитель УДП9; 54 -повторитель УДП10; 55 - повторитель УДП11; 56 - повторитель УДП2"; 57, 58 - разъемы лицевой панели; 59 - повторитель УДП14; 60 - повторитель УДП16; 61 - таймер ИМС2; 62 - выход ("ножка" 3) таймера ИМС2 (61); 63 - повторитель УДП2; 64 - повторитель УДП3; 65 - формирователь ИМС3; 66 - выход (вывод) ("ножка" 1) формирователя ИМС3 (65); 67 - вывод (выход) ("ножка" 6) формирователя ИМС3 (65); 68 - усилитель УД1; 69 - повторитель УДП5; 70 - усилитель УД2; 71 - повторитель УДП6.
2
1
Фиг.13. Группирование событий внутри интервала ΔT=Т-Т=70 нс.
Остановимся более подробно на способе и установках прототипа в связи с тем, что прототип включает основы особенностей использования принципа регуляризации А.Н.Тихонова при проведении как элементного, так и химического анализов состава сред. Установки разработаны двух модификаций:
- стационарный вариант;
- "портативный" мобильный вариант.
Стационарный вариант установки, имеющей габариты, примерно, 2×2×1,8 м, может в форсированном режиме в условиях конвейерного потока идентифицируемого материала обеспечить производительность до 1000 т/сутки. При контроле брикета весом 10÷20 кг обеспечивается идентификация элементов при их концентрации (по весу) 0,5÷1% от состава всей смеси брикета.
Радиационный фон при работающей установке на расстоянии 5÷10 м от установки не превышает предельно допустимых норм, принятых для населения при круглосуточном облучении в течение года. На неработающей установке радиационный фон отсутствует, т.к. в выключенном состоянии нейтронный генератор не испускает нейтроны.
Установка монтируется из унифицированных модулей в течение 2,5÷3 часов. За такое же время разбирается. Может быть легко транспортируема и установлена, практически, в любом месте, где можно обеспечить соответствующую радиационную безопасность.
Установка позволяет идентифицировать элементный состав материалов сред при наличии собственного (в материале сред) фона γ-квантов. Стоимость (оценочная) установки - не более 150 тыс. USD.
Аналогом стационарному варианту являются устройства, используемые компанией Rapiscan Systems (www.rapiscansystems.com [4]). Преимуществом установки, разработанной в [2, 3], является лучшая (в сравнении с установками, разработанными Rapiscan Systems) идентифицирующая разрешающая (в 10÷20 раз) способность при в 2÷3 раза меньшем весе и стоимости самой установки. При этом оценочная скорость сканирования крупногабаритных закладок (контейнеров) в 2÷3 раза выше.
н
и
γ
н
γ
н
-6
Рассмотренный в прототипе способ основан на регистрации и идентификации спектрального состава и выхода мгновенных γ-квантов, рождающихся при захвате нейтронов ядрами элементов. Импульсный нейтронный генератор с энергией нейтронов Е=14 МэВ и длительностью импульсов нейтронов τ=10 с размещают в тяжелом слабопоглощающем замедлителе, который является пространственной средой, формирующей к определенному моменту времени потоки нейтронов с различающимися строго фиксированными средними энергиями
[5]. Контролируемый материал транспортируют вблизи среды, замедляющей нейтроны. Скорость радиационного захвата замедляющихся нейтронов регистрируют по выходу мгновенных γ-квантов, образующихся при радиационном захвате нейтронов материалом среды. Скорости радиационного захвата нейтронов от времени замедления, а следовательно, и от энергии нейтронов f[Ф(E(t))], где t - время замедления нейтронов, определяемые через регистрацию потока эмиссии мгновенных γ-квантов, существенно различаются для разных элементов. Рассмотрим функциональные зависимости f[Ф(E(t))] в качестве функций чувствительности замедляющего блока к выходу γ-квантов в зависимости от атомного веса элементов А. Тогда
γ
где K(t,A)=f(Ф(t),A) - ядро интегрального уравнения (1).
γ
Определим замедляющий блок, вкупе с транспортной системой подачи материалов и системой регистрации мгновенных γ-квантов, как идентифицирующую установку. Тогда ядро K(t,A) уравнения (1) является аппаратурной функцией отклика идентифицирующей установки и полностью идентифицируется функцией чувствительности f(Ф(t)). Решая уравнение (1), можно по аппаратурному временному поведению выхода γ-квантов из ядер материалов u(t) оценить исходные концентрации элементов φ(A), находящихся в смеси материалов.
Решение интегрального уравнения (1) (уравнения Фредгольма 1-го рода) выполняют в соответствии с теорией регуляризации, разработанной А.Н.Тихоновым [6] для решения существенно некорректных задач типа уравнения Фредгольма 1-го рода. Решение уравнения (1) получают путем минимизации сглаживающего функционала:
0
1
1
где α - параметр регуляризации;
- производная 1-го порядка искомого спектра концентраций элементов φ(А);
- производная 1-го порядка априорного спектра концентрации φ(А); c - заранее выбранные весовые коэффициенты; p(t) и q(A) - заданные весовые коэффициенты.
Реальный набор параметров, входящих в уравнение (1), имеет дискретный характер. Поэтому уравнение (1) записывают в матричной форме и решают систему уравнений:
Применительно к операторному уравнению (3) сглаживающий функционал (2) запишется в виде:
l
l
где |P| и |Q| - весовые матрицы, |R| - оператор дифференцирования 1-го порядка.
Рассмотренный подход для расшифровки измерительной информации широко используется в нейтронной спектрометрии для спектрометрических систем неклассического типа. Характерным примером спектрометрических систем неклассического типа является мультисферный спектрометр [7], [8]. В мультисферном спектрометре имеется набор сфер из материала, эффективно замедляющего нейтроны, например из полиэтилена. Сферы - разного диаметра. Функцией чувствительности или откликом в мультисферном спектрометре является функция счета нейтронного детектора, размещенного внутри замедляющей сферы, в зависимости от энергии нейтронов, падающих на сферу. Для замедляющих сфер, имеющих разные диаметры, счетные функциональные зависимости будут разные. Применительно к мультисферному спектрометру уравнение (1) запишется в виде:
где φ(E) - спектр нейтронов, падающих на замедляющую сферу; E - энергия нейтронов.
-1
Спектр нейтронов φ(E) является аналогом спектра концентраций φ(A) в уравнении (1). Каждая сфера мультисферного спектрометра, отличающаяся от других своими замедляющими и рассеивающими свойствами, аналогична хроносрезу при определенном значении времени t с конечным временным интервалом Δt в задаче об элементном составе материалов. Однако в отличие от мультисферного спектрометра, в котором реальное число сфер ограничено (как правило, не >10 сфер), в задаче об элементном составе число хроносрезов, практически, не ограничено и верхняя граница их числа определяется достижимым рангом обратной матрицы |U| при решении системы уравнений (3) и соблюдением критериев принципа регуляризации решений некорректных задач. Для практических целей это означает, что одновременный анализ сред, состоящих из 50-100 элементов, не является непосильной задачей при определении элементного состава материалов. Рассмотренный на примере мультисферного спектрометра нейтронов метод расшифровки измерительной информации апробирован в течение ряда десятилетий и характеризуется стабильной надежностью получаемых выходных экспериментальных результатов. Поэтому данный метод принят за основу для формирования алгоритма по определению элементного и химического состава идентифицируемых материалов, адаптированного в соответствии с соотношениями (1)÷(5).
γ
По результатам исследований, приведенных в работах [2, 3], с использованием функциональных зависимостей f(Ф(t))≡K(t,A), полученных расчетами по методу Монте-Карло [9, Фиг.2], на основе метода регуляризации разработан алгоритм и программный комплекс для вычисления концентраций химических элементов. Выполнено апробирование алгоритма и программного комплекса по расшифровке состава смеси среды, приготовленной из заранее заданных концентраций известных элементов, на примере установки, приведенной на Фиг.1. Из импульсного источника 1 нейтроны попадают в тяжелый замедлитель 2. Поток нейтронов, выходящий из замедлителя 2, падает на брикет 6 (ТБПО), расположенный на конвейерной ленте 7. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами материальной среды брикета 6 рождаются γ-кванты радиационного захвата, которые регистрируются детекторами спектрометра γ-квантов 3. Измерительная информация поступает в программный блок 4 измерительно-регистрирующего комплекса 5, на выходе которого в режиме on-line формируется выходная информация об элементном и химическом составе брикета 6.
3
12
γ
γ
Функции чувствительности рассчитывались методом Монте-Карло [9] в геометрии, моделирующей реальную установку и реальные физические процессы, сопровождающие взаимодействие мгновенных γ-квантов радиационного захвата со средой детектора. Детектором является сцинтилляционный детектор, выполненный в виде пластины на основе сцинтиллирующего монокристалла BiGeO. Размеры сцинтиллятора: 20×40×40 см. Параметр Ф(t), отражающий особенности поведения функций чувствительности K(t,A), характеризует полную поглощенную энергию E мгновенных γ-квантов радиационного захвата при их взаимодействии со сцинтиллятором в зависимости от времени замедления нейтронов в свинцовом замедлителе.
Идентифицируемый образец представляет собою брикет в виде куба со стороною h=40 см. Брикет располагается над горизонтальной плоскостью тяжелого замедлителя. Расстояние между плоскостью нижней грани образца и плоскостью замедлителя - 40 см. Плоскость замедлителя, практически, выполняет роль плоского источника нейтронов диаметром около 100 см. Уменьшение потока нейтронов плоского источника на расстоянии 100 см от плоскости замедлителя составляет не более 2-3 раз. Такие характеристики нейтронного потока над плоскостью тяжелого замедлителя обеспечены специальной конфигурацией каналов и пустот внутри объема тяжелого замедлителя. Рабочий диапазон временных интервалов, внутри которых осуществляется «измерительная» расчетная процедура, составляет от 10 до 1000 мкс, иногда до 2000÷3000 мкс. Этот диапазон рабочих временных интервалов охватывает диапазон энергий нейтронов от, примерно, 1÷10 эВ до 100 кэВ. Энергетическое разрешение на любом хроносрезе внутри указанного энергетического (и временного) интервала, как правило, не хуже 50÷70%.
γ
1
2
3
i
i
γ
i
i
-3
-3
-3
Функции чувствительности f(Ф(t))≡K(t,A) рассчитаны методом Монте-Карло с использованием программного комплекса MCNP [8] для элементов: Cl, Fe, Gd, Н, N, О, S. Размеры брикета - 40×40×40 см. Из перечисленных выше элементов приготовлена гомогенная смесь, имеющая плотности: ρ=0,1 г·см; ρ=0,2 г·см; ρ=0,4 г·см. Выполнен расчет функции (см. (1)) φ(A)=Σb·f(E, t, A), характеризующей выход мгновенных γ-квантов смеси с наперед заданным спектром концентраций элементов, определяемым «весовыми» коэффициентами b. В таблице 1 приведены результаты расшифровочной процедуры, описанной выше.
Таблица 1*<sup>)</sup>
№ п/п
Элементный состав смеси
Концентрация элементов в смеси (отн. ед.), (входная информация)
Концентрация элементов в смеси (отн. ед.), (выходная информация - расшифровка)
Относительная погрешность результатов выходной информации, %
плотность смеси ρ=0,1 г·см<sup>-3</sup>; геометрия смеси - куб со стороной l=40 см; смесь - гомогенная
1
H
0,05
0,0515
18,1
2
C
0,15
0,1517
16,7
3
N
0,10
0,0996
14,6
4
O
0,20
0,1968
12,0
5
S
0,10
0,0971
8,95
6
Fe
0,20
0,1884
6,2
7
Cl
0,20
0,1804
5,1
плотность смеси ρ=0,2 г·см<sup>-3</sup>; геометрия смеси - куб со стороной l=40 см; смесь - гомогенная
1
H
0,05
0,0491
10,3
2
C
0,15
0,1465
9,58
3
N
0,10
0,0975
8,58
4
O
0,20
0,1950
7,38
5
S
0,10
0,0975
6,1
6
Fe
0,20
0,1945
5,1
7
Cl
0,20
0,1925
4,8
плотность смеси ρ=0,4 г·см<sup>-3</sup>; геометрия смеси - куб со стороной l=40 см; смесь - гомогенная
1
H
0,05
0,0514
29,5
2
C
0,15
0,1506
27,16
3
N
0,10
0,0999
23,4
4
O
0,20
0,2002
18,75
5
S
0,10
0,1010
13,2
6
Fe
0,20
0,1990
8,26
7
Cl
0,20
0,1910
5,77
*<sup>)</sup> Данные, приведенные в таблице 1, получены с использованием мониторинга ослабления потока нейтронов по толщине идентифицируемых образцов.
В вышеописанном варианте расшифровки измерительной информации в качестве исходных данных используются функции чувствительности, имеющие интегральный характер. В каждом временном интервале диапазона замедления нейтронов определяется интегральная характеристика: полная поглощенная энергия, выделяемая в среде при ее взаимодействии с мгновенными γ-квантами радиационного захвата. Данный подход при определении функций чувствительности обеспечивает высокую статистическую точность при длительности экспозиции измерительной процедуры в пределах 1÷3 с. Однако сравнительно плавный характер поведения функций чувствительности и их, в связи с этим, «мягкое» различие между собой приводит к заметным систематическим погрешностям. Поэтому погрешности выходных результатов расшифровки, как правило, составляют, в среднем, 5-10%.
Для существенного уменьшения систематических погрешностей при использовании изложенного метода расшифровки элементного состава разработан и экспериментально апробирован мобильный (или "портативный") вариант идентифицирующей установки. Информационной основой мобильного варианта являются аппаратурные спектры электронов отдачи, формирующиеся в сцинтилляторе-детекторе при взаимодействии среды сцинтиллятора с мгновенными γ-квантами, возникающими при радиационном захвате нейтронов идентифицирующей средой.
н
В мобильном варианте тяжелый замедлитель не используется. Используется модератор, максимальный вес которого составляет не более 10 кг. При использовании импульсного генератора нейтронов с энергией нейтронов Е=14 МэВ время замедления нейтронов в таком модераторе составляет не более 3÷5 мкс.
γ
e
γ
e
γ
e
i
Аппаратурные спектры или амплитудные распределения электронов отдачи на выходе сцинтилляторов N(E,E-,V)≡N(V) характеризуются более выраженными нерегулярностями, что обеспечивает существенно более высокую обусловленность соответствующих матриц при решении уравнений типа (1), (2). Поэтому в мобильном варианте идентифицирующей установки в качестве откликов или функций чувствительности используются амплитудные аппаратурные распределения N(V). Более полно: N(V)≡N(E,E-,V,A), где E - энергия мгновенных γ-квантов радиационного захвата, V - амплитудные распределения электронов отдачи, имеющих энергию E-, A≡A- i-й элемент - источник рождения мгновенных γ-квантов радиационного захвата.
137
60
152
133
133
152
137
60
В режиме мобильного варианта выполнены эксперименты на лабораторной установке, имитирующей мобильный вариант идентифицирующей установки. В созданной экспериментальной установке отсутствовал нейтронный генератор. В качестве источников γ-квантов радиационного захвата фигурировали имитаторы. Источниками-имитаторами мгновенных γ-квантов радиационного захвата выбраны радионуклиды, входящие в состав набора ОСГИ (образцовые спектрометрические γ-источники). Для экспериментальных исследований выбраны γ-источники: Cs; Co; Eu; Ba. Пятым источником является помещение, активность которого составляет от 10% до 50% от активности источников набора ОСГИ. Аббревиатура пятого источника - фон (fon). На Фиг.3 иллюстрируются аппаратурные спектры γ-квантов радионуклидов: смесь радионуклидов - 1; фон - 2; Ba - 3; Eu - 4; Cs - 5; Co - 6.
Аппаратурные спектры (Фиг.3) измерены с помощью монокристалла NaI(Tl), имеющего размеры: высоту h=18 см; диаметр d=20 см. Источники размещаются на установочной линейке и осуществляется регистрация аппаратурного спектра от смешанного потока γ-квантов всего ансамбля перечисленных источников.
137
60
152
133
В одном из вариантов геометрии эксперимента доля интенсивности каждого источника в смешанном потоке γ-квантов, падающих на сцинтиллятор от радионуклидов Cs; Co; En; Ba; фон: 0,160; 0,157; 0,466; 0,139; 0,078 соответственно. Результаты расшифровки измерительной информации, фигурирующей в виде аппаратурного спектра γ-квантов смеси, выполнены методом статистической регуляризации и представлены в таблице 2.
Таблица 2
№ п/п
Радионуклид
Относительная интенсивность γ-излучения радионуклида в смеси радионуклидов (входная информация)
Относительная интенсивность γ-излучения радионуклида в смесирадионуклидов (выходная информация - расшифровка)
Относительная погрешность результатов выходной информации, %
1
Cs
0,160
0,1597
0,50
2
Co
0,157
0,1585
<0,6
3
Eu
0,466
0,4674
0,63
4
Ba
0,139
0,1393
1,20
5
fon
0,078
0,0756
~3,4
Из таблицы 2 видно практически полное совпадение входных и выходных данных. Входные данные: априорно выбранная и проверенная экспериментально доля интенсивности γ-излучения каждого радионуклида в смеси всех используемых γ-источников. Выходные данные: доля интенсивности излучения каждого радионуклида в смеси всех используемых γ-источников, определяемая расчетным путем методом статистической регуляризации с использованием экспериментальных данных об аппаратурных спектрах γ-квантов смеси и экспериментальных данных о форме аппаратурных спектров исходных (опорных) источников γ-квантов. Погрешности результатов расчетных данных расшифровки, в основном, находятся в пределах 0,5÷1,5%. Но реализация незначительного уровня погрешностей требует больших экспозиций для выполнения измерительных процедур в сравнении со стационарной установкой по идентификации элементного состава. Это объясняется увеличением «веса» статистических погрешностей. Для обеспечения статистических погрешностей на уровне менее 3% необходимо в 10÷20 раз увеличивать экспозиции измерительных процедур. В условиях, аналогичных приведенным выше, для случая стационарной установки длительность экспозиций составит не 1÷3 с, а ~20÷60 с. Следует заметить: результаты расшифровки элементного состава, получаемые для условий стационарной установки, при необходимости, всегда могут быть дополнены данными, получаемыми в условиях характерных для мобильных идентифицирующих установок. Причем с использованием той же измерительной аппаратуры и без каких-либо специальных дополнительных наладочных операций.
Особенность метода регуляризации, используемого при расшифровке измерительной информации, такова, что она позволяет успешно выполнять идентификацию не только элементного, но и химического состава материалов и сред. Именно это обстоятельство используется в предложенном в настоящей заявке способе определения химического состава сред и устройстве, реализующем этот способ.
2
2
2
2
2
2
В таблице 3 приведены примеры, в которых представлены результаты анализа (идентификации) элементного и химического (молекулярного) состава 2-х различных сред (смесей), сформированных с использованием экспериментальных данных об откликах (аппаратурных спектрах γ-квантов) составных элементов и молекул. Как и в результатах, приведенных в таблице 2, имитаторами элементов среды являются соответствующие радионуклиды. Точно так же имитаторами молекул среды являются комбинации радионуклидов, объединенных в определенном соотношении. При этом за отклик синтезированной молекулы принимается не набор откликов составляющих ее "элементов" (радионуклидов), а объединенный (суперпозицированный) суммарный отклик из составляющих ее ("молекулу") "элементов" (радионуклидов). Например, рассмотрим "молекулу" типа Cs2Ba1Co2≡CsBaCo. Отклик молекулы представляет собой аппаратурный спектр γ-квантов, состоящий из смеси полей γ-квантов "элементов" Cs, Ba, Co, весовые доли которых должны учитывать химический состав "молекулы" CsBaCo с учетом нормировки на молекулярный вес молекулы CsBaCo в смеси. Из таблицы видно очень хорошее совпадение входных и выходных данных анализа (идентификации) элементного и химического состава сред (различие существенно меньше относительных погрешностей идентифицирующего анализа).
В таблице 4 представлены результаты анализа (идентификации) элементного и химического состава сред с элементным составом, аналогичным составу сред, приведенных в таблице 3 с использованием тех же откликов для элементного и молекулярного состава, что и для случаев сред, представленных в таблице 3. Но в таблице 4 молекулярный состав преднамеренно "ошибочно" изменен. Результаты идентифицирующего анализа показывают полное несовпадение (расхождение) входных и выходных данных. Причем эти расхождения находятся далеко за пределами относительных погрешностей идентифицирующего анализа.
Таблица 3
Среда
№ п/п
Радионуклиды, имитирующие элементный и молекулярный состав среды
Относительная интенсивность γ-излучения радионуклидов, имитирующих элементный и молекулярный состав в смеси радионуклидов (входная информация)
Относительная интенсивность γ-излучения радионуклидов, имитирующих элементный и молекулярный состав в смеси радионуклидов (выходная информация)
Относительная погрешность результатов выходной информации, %
1
1
fon
65000Е-01
53545Е-01
11539E-01
2
Cs2BalCo6
45000Е+00
45475Е-00
94792Е-02
3
Eu
48500Е+01
49317Е+00
10590Е-01
2
1
fon
65000Е-01
55435Е-01
99891Е-02
2
Cs
30000Е+00
29324Е+00
72800Е-02
3
Ba
13500Е+00
13694Е+00
79878Е-02
4
Co2Eu3
50000Е+00
51344Е+00
81363Е-02
Таблица 4
Среда
№ п/п
Радионуклиды, имитирующие элементный и молекулярный состав среды
Относительная интенсивность γ-излучения радионуклидов, имитирующих элементный и молекулярный состав в смеси радионуклидов (входная информация)
Относительная интенсивность γ-излучения радионуклидов, имитирующих элементный и молекулярный состав в смеси радионуклидов (выходная информация)
Относительная погрешность результатов выходной информации, %
1
1
fon
82000Е-01
65004Е-01
11539Е-01
2
Cs2BalCo2
31200Е+00
45000Е+00
94784Е-02
3
Eu
60600Е+01
48500Е+00
10590Е-01
2
1
fon
92000Е-01
65000Е-01
99891Е-02
2
Cs
42900Е+00
30000Е+00
72800Е-02
3
Ba
I9300E+00
13500Е+00
79878Е-02
4
ColEul
28600Е+00
50000Е+00
81367Е-02
Предлагаемый нами способ идентификации элементного и химического состава реализуют с помощью устройства, разработанного на основе прототипа, описанного в работах [2, 3]. В основе устройства - измерительный комплекс со сцинтилляционным детектором, способным обеспечивать неискаженные аппаратурные спектры γ-квантов при загрузках на фотокатод фотоумножителя детектора до 1000 МГц. Однако известное устройство прототипа обладает существенным недостатком: несмотря на способность обеспечивать высокие загрузки на фотокатоде ФЭУ в ряде случаев необходимы длительные измерительные процедуры, так как канал управления выборки (дискриминации) временных интервалов функционирует в нелинейном режиме. Проблема решается использованием модифицированного метода дискриминации временных интервалов или метода двойной дискриминации временных интервалов.
Для понимания сути предложенного в настоящей заявке модифицированного метода дискриминации временных интервалов рассмотрим более подробно особенности немодифицированного метода дискриминации временных интервалов, использующегося в прототипе. Рассмотрим кратко возможности сцинтилляционного спектрометра с использованием метода дискриминации временных интервалов и метода неперегружающегося линейного детектирования, применяющихся в прототипе [10, 11, 12].
д
д
д
д
Суть метода дискриминации временных интервалов, используемого в прототипе, состоит в том, что в спектрометре выделяется дополнительный канал, в котором формируется спектр временных интервалов (Фиг.4). Импульсы, ответственные за формирование спектра временных интервалов, поступают на вход интегрального дискриминатора, порог дискриминации которого выше уровня Т. Спектр временных интервалов ниже уровня Т искажен из-за эффектов мертвого времени и наложений. Импульсы выше порога (уровня Т) нормализуются интегральным дискриминатором и с выхода интегрального дискриминатора поступают на управление линейными воротами. На линейный вход линейных ворот поступают импульсы с выхода спектрометрического канала спектрометра. Импульсы спектрометрического канала пропускаются на выход линейных ворот только в том случае, если они соответствуют области временных интервалов (в спектре временных интервалов) выше уровня Т.
вых
н
вx
н
вых
н
вх
н
и
и
Метод неперегружающегося линейного детектирования (прототип) сводится к отказу от использования нелинейных формирующих цепей при фиксации аналоговой информации на выходе детектора излучений. На Фиг.5 проиллюстрирован метод линейного детектирования на примере использования сцинтилляционного детектора ядерных излучений. Ядерное излучение 9 (нейтроны ″n″ и ″γ″-кванты) регистрируется сцинтилляционным монокристаллом 10. Сцинтилляционные вспышки на выходе монокристалла попадают на фотокатод фотоумножителя 11 (ФЭУ). Образующиеся импульсы токов i(t) с выхода 12 фотоумножителя 11, имеющего выходное сопротивление R>1000 МОм, поступают на накопительный конденсатор 13 (C). Изменяющийся во времени заряд конденсатора Q(t) после предварительного усилителя 14, имеющего входное сопротивление R~1000 МОм, фиксируется последующей регистрирующей аппаратурой. Результирующая информация представляется в виде аппаратурных спектров импульсов напряжения U(t)=Q(t)/C. При реализации описанного подхода должно выполняться условие: R·C≥R·С>>τ, где τ - длительность импульсов токов на выходе фотоумножителя 11, а следовательно, и длительности сцинтилляционных вспышек, образующихся в монокристалле 10 при регистрации ядерного излучения 9.
Разработанная спектрометрическая система при исследовании пуассоновских потоков событий позволяет обеспечить ряд уникальных возможностей.
1. Процессы, сопровождающие формирование распределений на выходе накопительного конденсатора после соответствующего передающего устройства, поддаются строгому аналитическому описанию.
2. Изменением длительности интервала накопления на накопительном конденсаторе Т обеспечивается любой режим функционирования регистрирующей системы - от спектрометрического до интегрального.
3. В спектрометрическом режиме допускается загрузка на фотокатод фотоумножителя до 10÷100 МГц.
4. В интегральном режиме, т.е. в режиме регистрации полной поглощенной энергии во временном интервале Т, допускается загрузка на фотокатод фотоумножителя до 100÷1000 МГц, что на 4÷5 десятичных порядка больше, чем у существующих спектрометров.
н
Исследованиями установлено, что для пуассоновского потока событий аппаратурные распределения (аппаратурные спектры), регистрируемые на выходе накопительного конденсатора С за временной интервал Т, описываются выражением
i
j
k
i
j
k
0
1
k
где [φ(V)*φ(V)*…*φ(V)] - свертка “k”-й кратности; φ(V)=φ(V)=φ(V)=…=φ(V) - исходные "единичные" аппаратурные распределения или аппаратурные спектры γ-квантов (или нейтронов); P, P, P - коэффициенты, значения которых определяются формулой Пуассона
i
j
k
где m=0, 1, k; [φ(V)*φ(V)*…*φ(V)] - свертка аппаратурных распределений φ(V) кратности "k".
н
q
Расчетными и экспериментальными исследованиями установлено, что распределения на выходе накопительного конденсатора С при 2-х крайних значениях параметра <n>, а именно при <n> <<1 и <n> >>1, обладают очень важными свойствами. При <n> <<1 сверточные аппаратурные спектры Ф(V), практически, полностью совпадают с дифференциальными аппаратурными спектрами φ(V)≡N(V), где N(V) - счет в канале анализатора регистрирующей установки, регистрируемый классическими способами. Например, уже при <n>=0,01 спектр Ф(V), практически, полностью совпадает со спектром φ(V) (см. Фиг.6, 7). При <n> >>1, точнее при <n> >10÷15 распределения Ф(V) описываются распределением Пуассона с параметром <n>, который с параметром <n> с точностью до долей процента связан как
94
137
60
94
137
60
γ,1
γ,2
γ
γ,1
γ,2
На Фиг.8, 9 представлены аппаратурные спектры γ-квантов, измеренные с использованием метода дискриминации временных интервалов и без использования дискриминации временных интервалов. Измерены аппаратурные спектры радионуклидов: Nb, E=0,702 МэВ, E=0,871 МэВ; Cs, E=0,661 МэВ; Co, E=1,173 МэВ, E=1,332 МэВ (Фиг.8). Загрузка детектора потоком γ-квантов радионуклида Nb - 540 кГц; загрузка детектора потоком γ-квантов радионуклидов (Cs+Co) - 1,5 кГц.
Однако использование изложенного метода дискриминации временных интервалов не позволяет обеспечить высокую статистику в аппаратурных спектрах γ-квантов при высоких загрузках детекторов и кратковременных экспозициях измерительных процедур из-за ограничений, накладываемых формирующими узлами управляющего канала.
-4
-6
В установке, предложенной в настоящей заявке, указанный недостаток устранен, что позволяет обеспечить высокую статистическую точность в сочетании с минимальными систематическими погрешностями. При чувствительности 10÷10 удается обеспечить суммарную погрешность результатов измерений на уровне не хуже 10% при экспозициях измерительных процедур всего в несколько десятков секунд.
Как отмечено выше, проблема решается использованием модифицированного метода дискриминации временных интервалов или метода двойной дискриминации временных интервалов.
б
м
б
Суть модифицированного метода дискриминации временных интервалов или метода двойной дискриминации временных интервалов, являющегося предметом новизны, предложенной в настоящей заявке, проиллюстрируем примером: на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) падает поток оптических фотонов, рождающихся в сцинтилляторе в результате регистрации γ-квантов. Пусть интенсивность регистрации γ-квантов составляет 10 МГц. В качестве сцинтиллятора используем монокристалл NaI(Tl). Предельные значения загрузки (интенсивности регистрации) на фотокатод фотоумножителя в современных спектрометрах γ-квантов, выполненных на монокристаллах типа NaI(Tl), составляют 1÷5 кГц [10]. Это обусловлено тем, что импульсы высвечивания NaI(Tl) характеризуются, в лучшем случае, двумя компонентами: быстрым τ~200 нс и медленным τ~1 мкс [1, 2]. В соответствии с выражениями (5), (6) [10] регистрация излучения γ-квантов с использованием только быстрого компонента высвечивания τ~200 нс обуславливает предельные загрузки на фотокатод ФЭУ около N=1÷5 кГц. На Фиг.10 представлено распределение временных интервалов для рассматриваемого случая загрузки на фотокатод ФЭУ <N>=10 МГц.
1
2
д
д
2
1
б
-6
-6
-7
Установим уровень дискриминации временных интервалов равным Т=0,4·10 с=400 нс (1, Фиг.10). Процедуру дискриминации выполняем с помощью зарядового устройства (зарядового блока), блок-схемное решение которого представлено ниже на Фиг.12. Установим второй уровень дискриминации временных интервалов равным Т=Т=0,470·10 с (2, Фиг.10), т.е. временной интервал выборки в аппаратурном спектре γ-квантов по шкале временных интервалов Т распределения временных интервалов N(T) составит ΔТ=Т-Т=0,7·10 с=70 нс. Быстрый компонент высвечивания NaI(Tl) равен около τ~200 нс. Т.о., фиксируются на выходе спектрометра спектры, регистрируемые на основе импульсов напряжения, сформированных частью (~30%) заряда импульсов токов высвечивания.
д
д
1
д
2
д
1
2
д
д
5
-7
-2
1
-6
Т.о., временной интервал между дискриминациями Т=70 нс. При Т=Т скорость регистрации составит
. При Т=Т скорость регистрации составит
. Среднее число импульсов, попадающих в интервал ΔТ=70 нс, составит ΔN=(N-N)·ΔТ=1,5·10·0,7·10~0,01=10 отсчетов. В момент Т ≈0,5·10 с (3, Фиг.10) зарядовый блок переходит в исходное состояние и режим функционирования зарядового блока повторяется.
Скорость счета спектральных импульсов составит
A
При числе каналов анализатора N=256, число отсчетов в каждом канале анализатора составит:
A
4
-1
За время Δt≈100 с число отсчетов в каждом канале составит ΔN~10 с.
г
Как видим, статистическая погрешность в каждом канале составит δ~1%. Погрешность, обусловленная генеральной дисперсией всего спектра, составит δ<<1%.
н
1
T
q
q
q
н
б
-9
3
Экспериментами и расчетами установлено [11, 12], что искажения аппаратурных спектров γ-квантов при регистрации излучений спектрометрами, функционирующими в режиме линейного детектирования (Фиг.7), пренебрежимо малы (погрешность во всем спектральном диапазоне <<1%), если выполняется условие: число импульсов токов, поступающих на накопительный конденсатор С в течение временного интервала ΔT, усредненное по большому числу временных интервалов n>>1, должно удовлетворять условию: <n> <<1, точнее <n> ≤0,01, где <n> - количество импульсов токов, поступающих на накопительный конденсатор С. Соблюдая данное условие и используя алгоритм метода двойной дискриминации временных интервалов, изложенный выше, при использовании сцинтилляторов с более быстрыми временами высвечивания при возбуждении ядерными излучениями, можно обеспечить загрузку на фотокатод ФЭУ <N> ≥1000 МГц. Например, для пластических сцинтилляторов, характеризующихся только быстрым компонентом высвечивания при возбуждении ядерными излучениями, δ≈10 с, при загрузке на фотокатод фотоумножителя <N> ~10 МГц, скорость измерительных процедур и качество измерительной информации будет аналогичной, в случае <N> ~10 МГц, разобранном выше на примере монокристалла NaI(Tl).
В предлагаемом в настоящей заявке устройстве указанный недостаток "обычного" метода дискриминации временных интервалов устранен с помощью разработанной электронной схемы, апробированной в электронном блоке 6, являющемся составной частью блок-схемы γ-спектрометра (Фиг.11), используемого в качестве ведущего узла идентифицирующей установки элементного и химического состава сред. Спектрометр изготовлен и апробирован в опытно-макетном варианте.
0
1
1
1
0
0
Рассмотрим кратко взаимодействие электронных узлов в разработанном электронном блоке, с помощью которого реализуется идеология метода двойной дискриминации временных интервалов, изложенного выше (Фиг.12). С выхода 10-го (или 12-го или другого) динода 12 фотоумножителя ФЭУ 11 импульсы тока положительной полярности поступают на вход разъема 15 лицевой панели 28 блока 16. С внутреннего выхода разъема 15 (внутри блока 16) импульсы тока поступают на вход 51 (выводы микросхемы 27 (ИМС1)) нормально открытого таймера КР1006 ВИ1 (ИМС1). С выхода генератора 22 (Г5-78) импульсы через разъем 23 блока 16 и повторитель 29 (УДП15) поступают на вход 30 таймера 27 (ИМС1) для управления таймером. При поступлении с выхода генератора 22 (Г5-78) импульсов отрицательной полярности (по цепочке: разъем 23 лицевой панели 28 блока 16, повторитель 29 (УДП15), повторитель 31 (УДП18)) на вход 30 таймера 27 (ИМС1) триггер таймера опрокидывается и таймер закрывается. На конденсаторе 32 (С) начинается накопление заряда
в течение времени T до поступления на вход 33 таймера 27 (ИМС1) импульса блокировки отрицательной полярности. Импульс блокировки отрицательной полярности, поступающий на вход 33 ("ножка" 4) таймера 27 (ИМС1), переводит триггер таймера в состояние, при котором таймер переходит в открытое состояние, при котором конденсатор 32 (С) разряжается и накопления заряда на нем не происходит. Импульс блокировки на входе 33 ("ножка" 4) таймера 27 (ИМС1) вырабатывается таймером 34 (ИМС5), который в исходном состоянии также открыт. Запуск таймера 34 (ИМС5) происходит, практически, одновременно с запуском таймера 27 (ИМС1) через повторитель 35 (УДП42) и формирователь 36 (ИМС7). Импульс отрицательной полярности и амплитудой 2,5÷3,0 B после повторителей 37 (УДП43), 38 (УДП28), 39 (УДП29) поступают на управление таймером 34 (ИМС5) (вход 40 ("ножка" 2)) и закрывает таймер 34 (ИМС5). С помощью генератора тока, выполненного на переменном сопротивлении, происходит накопление заряда на накопительном конденсаторе 42 (C) до напряжения, равного опорному, задаваемому на компараторе таймера 34 (ИМС5), с которым соединен вывод 43 ("ножка" 6) таймера 34 (ИМС5). Вывод 43 ("ножка" 6) таймера 34 (ИМС5) соединен с выводом 44 ("ножка" 7), который, в свою очередь, соединен с накопительным конденсатором 42 (C). При достижении на накопительном конденсаторе 42 (С) напряжения, равного уровню опорного напряжения на компараторе таймера 34 (ИМС5), триггер таймера 34 (ИМС5) опрокидывается (переключается в другое состояние) и открывает ключ, соединенный с выводом 44 ("ножка" 7) таймера. Таймер открывается, а на выводе 45 ("ножка" 3) таймера выделяется прямоугольный импульс напряжения положительной полярности и длительностью Т, которая задается сопротивлением генератора тока таймера 34 (ИМС5). На выходе вывода 45 ("ножка" 3) таймера - четыре ветвления с выходами на соответствующие повторители, выполненные на операционных усилителях. По одному из этих ветвлений через повторитель 46 (УДП25) импульсы поступают на формирователь 47 (ИМС6) нормализованных сигналов длительностью - 0,5÷1,0 мкс, передний фронт которых по времени соответствует заднему фронту прямоугольных импульсов на выходе 45 таймера 34 (ИМС5). С выхода формирователя 47 (ИМС6) импульсы напряжения отрицательной полярности и с выхода повторителя 48 (УДП27) через переключатель 49 (П), повторитель 50 (УДП20) поступают на вход блокировки таймера 27 (ИМС1) (вывод 33 таймера 27 (ИМС1)). Накопление заряда на конденсаторе 32 (С) прекращается, т.к. таймер 27 (ИМС1) переходит в исходное открытое состояние, и на выходах таймера 27 (ИМС1) (выводы 51, 52) выделяются импульсы напряжения длительностью
(3, Фиг.10). Пилообразный импульс напряжения положительной полярности ("пила") длительностью Т, выделяемый на выводе 51 таймера 27 (ИМС1), через повторители 53 (УДП9), 54 (УДП10), 55 (УДП11), 56 (УДП2'') поступает на выходные разъемы 17, 18, 57, 58 блока 16. Сформированная таким образом "пила" является генеральной.
1
0
1
0
1
1
Д
Кроме запуска таймера 34 (ИМС5), с выхода формирователя 36 (ИМС7) через повторители 59 (УДП14), 60 (УДП16) осуществляется запуск таймера 61 (ИМС2). Прямоугольные импульсы положительной полярности и длительностью Т<Т с вывода 62 таймера 61 (ИМС2) поступают на формирующее устройство, выполненное на 63 (УДП2), 64 (УДП3), 65 (ИМС3), далее через усилитель 70 (УД2), повторитель 71 (УДП6) и далее через переключатель 49 (П) и повторитель 50 (УДП20) на вход (вывод 33) блокировки таймера 27 (ИМС1). На выходе 62 таймера 61 (ИМС2) и на выходах таймера 27 (ИМС1) (выводы 51 и 52) выделяются импульсы напряжения длительностью Т<Т. На выходе (выводе) 66 формирователя 65 (ИМС3) сформированные импульсы по переднему фронту соответствуют заднему фронту импульсов Т. Импульсы положительной полярности и длительностью ΔТ=ΔТ с вывода (выхода) 67 формирователя 65 (ИМС3) после усилителей 68 (УД1) и 69 (УДП5) поступают на разъем 20 лицевой панели 28 блока 16 и далее на управление линейным пропускателем (линейный пропускатель или линейные ворота 19).
д
д
1
д
1
На Фиг.11 представлена блок-схема спектрометрического комплекса γ-квантов, функционирующая в режиме неперегружающегося спектрометра γ-квантов с использованием метода двойной дискриминации временных интервалов, γ-кванты 9 регистрируются сцинтиллирующим монокристаллом 10 (NaI(Tl)), оптически сочлененным с фотокатодом фотоумножителя 11 (ФЭУ-93). С выхода динода 12 ФЭУ 3 импульсы токов поступают на разъем 15 блока 16. С выхода 17 блока 16 импульсы напряжения, амплитуды которых прямо пропорциональны энергии регистрируемого излучения и регистрация которых осуществляется во временном интервале ΔT=T (Фиг.10), поступают на вход 18 блока 19 линейных ворот (или линейного пропускателя). С выхода разъема 20 блока 16 нормализованные импульсы напряжения длительностью ΔT≤T-Т (см. описание зарядового блока, Фиг.12) поступают на вход 21 канала управления линейными воротами (или линейным пропускателем). Управляющие импульсы длительностью ΔT≤T-Т синхронизированы с импульсами, поступающими с выхода генератора 22 (Г5-78) на управление зарядовым блоком 16 (разъем 23). С выхода 24 блока линейных ворот 19 импульсы напряжения поступают на усилитель-формирователь 25, информация о спектральном составе которых фиксируется одноплатным анализатором 26 SBS-60 и заносится в память 4 PC Pentium I.
д
1
д
1
Имеется очень важное обстоятельство, которое следует учитывать при регистрации спектров амплитуд импульсов спектрометрическим комплексом, приведенным на Фиг.11: возможные искажения спектрального состава амплитуд импульсов из-за конечной длительности временного интервала ΔT≤T-Т, т.е. так называемые граничные эффекты. Для рассматриваемого случая (параметры: <n>=0,01, <N>=10 МГц, ΔT=70 нс) выполнены расчетные оценки вероятности группирования регистрируемых событий внутри интервала ΔT в зависимости от времени. На Фиг.13 иллюстрируются результаты расчетов, выполненные на основе свертки трех распределений: пуассоновского потока событий, биномиального распределения и распределения временных интервалов внутри интервала двойной дискриминации ΔT≤T-Т с учетом отмеченных выше параметров. Результат - практически 100%-ное группирование актов событий вдали от границ интервала. Экспериментальная проверка для случая <n>=0,01 полностью подтверждает данный факт (Фиг.7 [11, 12]).
С помощью γ-спектрометра, блок-схема которого представлена на Фиг.11, с использованием метода двойной дискриминации временных интервалов выполнены эксперименты с радионуклидами при загрузке на фотокатоде фотоумножителя <N> >540 кГц. Полученные результаты аналогичны приведенным на Фиг.8, но при длительности измерительной экспозиции в сто раз меньше таковой, использовавшейся в эксперименте, результаты по которому представлены на Фиг.8 (экспозиции соответственно 40 с и 4000 с).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. Власов Н.А., Нейтроны. М.: Наука, 1971.
2. Трыков О.А., Леонова О.О., Соловьев Н.А., Семенов В.П., Хачатурова Н.Г. Установка по оперативному определению элементного состава органических и неорганических веществ: Препринт ФЭИ - 3095. Обнинск, 2007.
3. Трыков О.А., Леонова О.О., Семенов В.П., Соловьев Н.А., Хачатурова Н.Г. Метод и установка по оперативному определению элементного состава органических и неорганических веществ. ГНЦ РФ ФЭИ. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерные константы, 2007, С.81.
4. www.rapiscansystem.com. Интернет-страницы компании Rapiscan Systems. Copyright © 2010.
5. Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика. М.: Атомиздат, 1968.
6. Тихонов А.Н. О решении некорректно поставленных задач и о методе регуляризации // ДАН СССР, 1963. Т.151, N3. С.501-504.
Тихонов А.Н. О регуляризации некорректно поставленных задач // ДАН СССР, 1963. Т.153, N1. С.49-52.
7. Bramblett R.I., Ewing R.I., Bonner T.W. A new type of neutron spectrometer // Nuclear Instruments and Methods. Vol.9, №1. P.1-12.
8. Семенов В.П., Трыков Л.А., Тюфяков Н.Д. Некоторые методы восстановления спектров нейтронов по результатам измерений мультисферным спектрометром: Препринт ФЭИ-507. Обнинск, 1974.
9. Briesmeister J.F. «MSNP-A General Monte Carlo N-Particle Code System, Version 4A». Los Alamos National Laboratory report LA-12625-M, 1993.
10. Трыков О.А. Метод дискриминации временных интервалов в спектрометрии ядерных излучений: Препринт ФЭИ - 2796, Обнинск, 1999.
11. Леонова О.О., Семенов В.П., Соловьев Н.А., Трыков О.А., Хачатурова Н.Г. Неперегружающийся сцинтилляционный спектрометр быстрых нейтронов и гамма-квантов. ГНЦ РФ ФЭИ. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерные константы, 2008, ВЫП.1-2, С.87.
12. Леонова О.О., Семенов В.П., Соловьев Н.А., Трыков О.А., Хачатурова Н.Г. Неперегружающийся сцинтилляционный спектрометр быстрых нейтронов и гамма-квантов. ГНЦ РФ ФЭИ. Ядерное Приборостроение. Метрология. Сборник докладов НИЦ СНИИП, 2007.
13. Медведев М.Н. Сцинтилляционные детекторы. М.: Атомиздат, 1977.
14. Трыков О.А., Мохов А.С. Спектрометрический способ измерения ядерных излучений и реализующая его спектрометрическая система. Патент на изобретение №2269798 от 10 февраля 2006 г.