ГАММА-СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения энергетических спектров гамма-излучения.
Известен сцинтилляционный спектрометр [1, С.28, рис.13], содержащий сцинтиллятор, фотоумножитель, предусилитель, линейный усилитель, дифференциальный амплитудный анализатор, пересчетную схему, счетчик. Недостатком известного спектрометра является недостаточная точность, недостаточная чувствительность и недостаточная помехоустойчивость к шумам фотоумножителя. Кроме этого процесс измерения является длительны так как для получения спектра необходимо провести множество измерений с различными настройками амплитудного анализатора.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является сцинтилляционный спектрометр [2], в котором указанные недостатки частично устранены. Сцинтилляционный спектрометр содержит сцинтиллятор, два фотоумножителя, питаемые от источника высокого напряжения, два дискриминатора, схему сравнения, два анализатора формы импульсов, вентиль, два электронных таймера, многоканальный анализатор. При этом, схема сравнения обеспечивает открытие вентиля и разрешение поступления импульсов на вход многоканального анализатора только в случае совпадения импульсов, поступающих от двух фотоумножителей. Анализаторы формы импульсов также обеспечивает открытие вентиля только в случае совпадения форм импульсов с заданной формой. Таким образом обеспечивается повышение помехоустойчивости, а многоканальный анализатор позволяет получить спектр излучения без перенастройки каких-либо элементов схемы спектрометра.
Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность при заданном времени измерения. Указанный недостаток может быть устранен за счет увеличения размеров кристалла сцинтиллятора. При этом на кристалл за тот же промежуток времени попадает большее количество гамма-квантов, однако при этом повышается вероятность того, что в один и тот же или близкие промежутки времени на кристалл может попасть два или более гамма-квантов, что приведет к наложению импульсов, обусловленных излучениями света в сцинтиллятора отдельными квантами,
суммирование их амплитуд и невозможности разделения этих импульсов в анализаторе, что приводит к искажению результатов измерения спектральных характеристик гамма-излучения. Кроме того, сцинтилляторы с кристаллами больших размеров сложны в производстве и являются дорогостоящими.
Задачей полезной модели является создание гамма-спектрометра с повышенной чувствительностью при уменьшении вероятности наложения двух или более импульсов.
Сущность полезной модели заключается в том, что гамма-спектрометр содержит по меньшей мере два сцинтиллятора, для каждого из которых спектрометр содержит фотоумножитель, выход каждого фотоумножителя через свой измерительный усилитель соединен с соответствующим входом анализатора, количество выходов каждого анализатора равно N, где N - число каналов гамма-спектрометра, гамма-спектрометр содержит N сумматоров, при этом количество входов каждого сумматора равно количеству сцинтилляторов, а каждый выход каждого анализатора соединен со входом соответствующего сумматора, выходы сумматоров являются выходами гамма-спектрометра.
Выходы сумматоров первого по N-й могут быть соединены со входами адаптера последовательного канала, выход которого является выходом цифрового канала передачи данных.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - структурная схема гамма-спектрометра;
фиг.2 - структурная схема анализаторов (первый вариант реализации);
фиг.3 - структурная схема анализаторов (второй вариант реализации);
На чертежах обозначено:
1
1 - первый сцинтиллятор;
M
1 - М-й сцинтиллятор;
1
2 - первый фотоумножитель;
М
2 - М-й фотоумножитель;
1
3 - первый источник высокого напряжения;
М
3 - М-й источник высокого напряжения;
1
4 - первый измерительный усилитель;
М
4 - М-й измерительный усилитель;
1
5 - первый анализатор;
М
5 - М-й анализатор;
1
6 - первый сумматор;
2
6 - второй сумматор;
N
6 - N-й сумматор;
7 - блок определения максимума амплитуды;
1
8 - первый пороговый блок;
N
8 - N-й пороговый блок;
1
9 - первый счетчик;
N
9 - N-й счетчик;
10 - аналого-цифровой преобразователь;
11 - блок определения наибольшего значения;
12 - блок определения конца импульса;
13 - запоминающее устройство.
1
М
В качестве сцинтилляторов 1,...,1 с первого по М-й могут использоваться например, кристаллы NaJ(Ti). Размеры кристаллов выбираются исходя из минимизации вероятности наложения импульсов на выходе фотоумножителя, вызванных попаданием двух гамма-квантов одновременно в один сцинтиллятор. При этом чувствительность спектрометра обеспечивается увеличением количества сцинтилляторов (обеспечивается нужный суммарный объем кристаллов).
1
М
Анализаторы 5,...,5 с первого по М-й представляют собой устройства, которые разделяют поступающие на их входы импульсы в зависимости от максимума амплитуды (принадлежности значения максимума амплитуды импульса заданному диапазону) каждого импульса и производят отдельно подсчет импульсов, максимум амплитуды которых соответствует заданному диапазону амплитуд.
1
М
1
М
1
N
1
N
1
М
1
N
1
N
Анализаторы 5,...,5 с первого по М-й могут быть реализованы следующим образом (фиг.2). Каждый анализатор 5,...,5 с первого по М-й содержит блок 7 определения максимума амплитуды, N пороговых блоков 8,...,8, N счетчиков 9,...,9. При этом входом анализатора 5,...,5 является вход блока 7 определения максимума амплитуды, выход которого соединен со входами всех пороговых блоков 8,...,8 с первого по N-й, выходы которых соединены со входами соответствующих счетчиков 9,...,9 с первого по N-й.
1
M
1
M
Анализаторы 5,...,5 с первого по М-й также могут быть реализованы следующим образом (фиг.3). Каждый анализатор 5,...,5 с первого по М-й содержит аналого-цифровой преобразователь 10, блок 11 определения наибольшего значения, блок 12 определения конца импульса, запоминающее устройство 13, при этом вход
аналого-цифрового преобразователя 10 является входом анализатора, а выход аналого-цифрового преобразователя 10 соединен с входами блока 11 определения наибольшего значения и блока 12 определения конца импульса, выход блока 11 определения наибольшего значения соединен с входом адреса (А) запоминающего устройства 13, а выход блока 12 определения конца импульса соединен с инкрементным ("+1") входом запоминающего устройства 13 и сходом сброса (с) блока 11 определения наибольшего значения. Аналого-цифровой преобразователь 10 имеет встроенную схеме перезапуска. Запоминающее устройство 13 имеет N ячеек и N выходов. На каждом выходе запоминающего устройства 13 выводится значение, хранящееся в соответствующей ячейке. При приходе импульса на вход аналого-цифрового преобразователя 10 на его выходе формируется цифровой сигнал, который поступает на входы блока 11 определения наибольшего значения и блока 12 определения конца импульса. Блок 11 определения наибольшего значения запоминает и удерживает на своем выходе значение являющееся наибольшим из значений, поступивших на его вход за время с момента сброса. Блок 11 определения наибольшего значения может быть выполнен в виде регистра и цифрового компаратора, при этом один вход цифрового компаратора является входом блока 11 определения наибольшего значения и соединен с входом данных регистра, а второй вход цифрового компаратора соединен с выходом регистра, выход цифрового компаратора соединен с входом строба регистра. Вход сброса регистра является входом сброса блока 11 определения наибольшего значения. Если значение, поступающее на вход блока 11 определения наибольшего значения больше, значения находящегося в регистре, то цифровой компаратор вырабатывает на своем выходе сигнал, который поступает на вход строба регистра и новое значение записывается в регистр. Блок 12 определения конца импульса вырабатывает сигнал на своем выходе когда значение на его входе становится меньше наибольшего значения на заданную величину. Блок 12 определения конца импульса содержит схему, аналогичную схеме блоку 11 определения наибольшего значения и цифровой компаратор. Также блок 12 определения конца импульса может использовать значение, вырабатываемое блоком 11 определения наибольшего значения. В этом случае блок 12 определения конца импульса имеет второй вход, соединенный с выходом блока 11 определения наибольшего значения. Сигнал с выхода блока 12 определения конца импульса поступает на инкрементный ("+1") вход запоминающего устройства 13, и ячейка запоминающего устройства 13, адрес которой равен значению, поступающему на вход адреса (А) с выхода блока 11 определения наибольшего значения. При
дальнейшем снижении значения на входе блока 12 определения конца импульса и достижении заданного значения, этот блок снимает сигнал на своем выходе. По отрицательному фронту сигнала на выходе блока 12 определения конца импульса и соответственно на входе сброса (с) блока 11 определения наибольшего значения происходит обнуление регистра блока 11 определения наибольшего значения.
1
M
1
N
Анализаторы 5,...,5 с первого по М-й могут иметь один общий аналого-цифровой преобразователь. При этом этот аналого-цифровой преобразователь является многоканальным. Блок 11 определения наибольшего значения, блок 12 определения конца импульса, запоминающее устройство 13 могут быть выполнены в виде программируемой логической матрицы или микроконтроллера, причем на одной программируемой логической матрице (одном микроконтроллере) могут быть реализованы Блок 11 определения наибольшего значения, блок 12 определения конца импульса, запоминающее устройство 13 нескольких анализаторов. На этой же программируемой логической матрице (микроконтроллере) могут быть реализованы сумматоры 6,...,6 с первого по N-й.
1
N
Выходы сумматоров 6,...,6 с первого по N-й могут быть соединены со входами адаптера последовательного канала, выход которого является выходом цифрового канала передачи данных, например, выходом интерфейса RS-232 или RS-485. При этом обеспечивается возможность обмена данными между гамма-спектрометром и вычислительным устройством-потребителем информации, полученной гамма-спектрометром, что позволяет реализовать автоматический и автоматизированный режимы обработки этой информации.
Гамма-спектрометр работает следующим образом.
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
1
M
Гамма-кванты различных энергий вызывают излучение света сцинтилляторами 1,...,1 с первого по М-й. Световое излучение регистрируются фотоумножителями 2,...,2 с первого по М-й и на выходах фотоумножителей 2,...,2 с первого по М-й формируются электрические импульсы, максимум амплитуды которых пропорционален энергии принятых гамма-квантов. Сигналы с выходов фотоумножителями 2,...,2 с первого по М-й усиливаются соответствующими усилителями 4,...,4 с первого по М-й поступают на входы анализаторов 5,...,5соответственно с первого по М-й. Каждый анализатор 5,...,5 с первого по М-й производит разделение импульсов в зависимости от значения максимума их амплитуды по N каналам и производит подсчет импульсов по каждому каналу за заданное время (время измерения). На выходах анализаторов 5,...,5 с первого по М-й формируются
1
M
1
N
цифровые сигналы о количестве принятых импульсов с максимумом амплитуды, соответствующим диапазону амплитуды для данного канала. Эти цифровые сигналы для каждого канала с выходов всех анализаторов 5,...,5 с первого по М-й поступают на входы с первого по М-й соответствующих сумматоров 6,...,6 с первого по N-й, где производится суммирование количества импульсов данного диапазона максимума амплитуду от всех анализаторов, то есть количества импульсов, вызванных гамма-квантами попавшими во все сцинтилляторы.
В результате использования полезной модели создан гамма-спектрометр, который имеет высокую чувствительность, что позволяет сократить время измерения или повысить точность при заданном времени измерения. При этом не требуется технологически сложное и дорогостоящее изготовление монокристаллов больших размеров.
Представленные чертежи и описание позволяют изготовить гамма-спектрометр с использованием известных материалов и элементной базы, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вартанов Н.А., Самойлов П.С. Практические методы сцинтилляционной гамма-спектрометрии.
2. Патент США №4914300, МПК G01T 1/20, 03.04.1990.