СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО РЕПЕРНОМУ ПИКУ
METHOD OF STABILIZING A SPECTROMETRIC CHANNEL OF A SCINTILLATION UNIT FOR DETECTING GAMMA-RADIATION USING A REFERENCE PEAK

Изобретение относится к радиационному приборостроению и экспериментальной ядерной физике и может быть использовано в радиометрической и спектрометрической аппаратуре и, в первую очередь, в радиационных приборах контроля различных технологических параметров с применением сцинтилляционных счетных и спектрометрических блоков детектирования.
Известен ряд способов стабилизации спектрометрического тракта, в которых используют информацию, получаемую от дополнительных реперных (опорных) радиоактивных или световых излучателей, причем предпочтение отдается первым, поскольку в них регулирующей обратной связью охвачен как детектор, так и усилительный тракт блока детектирования [1]. При этом излучение регистрируют в двух смежных дифференциальных каналах (далее ДК), расположенных на разных склонах реперного пика, сравнивают среднее значение частоты следования импульсов (далее СЗЧСИ) в первом и втором ДК и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта (далее КПДТ).
Такие известные способы не обеспечивают высокую стабильность и надежность при значительном изменении интенсивности измеряемого излучения, что особенно характерно для радиационных приборов контроля параметров различных технологических процессов. Это связано с тем, что высота собственно реперного пика от дополнительного излучателя на спектральном распределении остается постоянной, а остальная часть распределения, в том числе "подкладка" под реперным пиком изменяется примерно пропорционально переменной интенсивности измеряемого излучения. При значительных загрузках эта "подкладка" может во много раз превосходить высоту собственно реперного пика, что снижает надежность стабилизации. Кроме этого, при практической реализации такого способа возникают проблемы, связанные с необходимостью размещения двух смежных каналов системы стабилизации на разных склонах реперного пика, как при первичной настройке реализующего способ устройства, так и в процессе ремонта в производственных условиях. Также возможен выход ДК за пределы реперного пика когда после длительного пребывания оборудования в выключенном состоянии значительно изменяется температура окружающей среды или происходят изменения параметров сцинтиллятора или ФЭУ из-за старения.
Известен также способ стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику [2], в котором излучение регистрируют в N>2 смежных ДК. Причем границы этих ДК выбирают пропорциональными членам возрастающей геометрической прогрессии и располагают, так, чтобы внешние границы заключали в себе реперный пик. Определяют СЗЧСИ следования импульсов во всех ДК, сравнивают между собой полученные в двух заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных ДК нормированные по ширине канала СЗЧСИ и по результатам сравнения формируют основной управляющий сигнал коррекции КПДТ. При этом дополнительно вычисляют также нормированные по ширине канала СЗЧСИ во всех ДК, определяют ДК, в котором это СЗЧСИ максимально, и если такой ДК не окажется одним из заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных ДК, вырабатывают предварительно установленный для каждого прочего ДК дополнительный сигнал коррекции КПДТ.
Такой способ при правильном выборе значения N исключает возможность выхода ДК за пределы реперного пика после значительного изменения температуры или старении элементов сцинтиблока в процессе длительного нахождения блока детектирования (далее БД) в выключенном состоянии. Однако и в нем сохраняются проблемы, связанные с необходимостью размещения N>2 смежных каналов системы стабилизации в зоне реперного пика, как при первичной настройке реализующего способ устройства, так и в процессе ремонта в производственных условиях. Кроме этого, наличие N>2 каналов и необходимость определять и сравнивать СЗЧСИ во всех ДК существенно усложняет реализацию этого способа.
Наиболее близким по назначению и признакам к заявляемому решению является принятый за прототип способ [3], реализованный в системе стабилизации энергетической шкалы спектрометра, где также регистрируют излучение в двух смежных ДК, расположенных на разных склонах реперного пика. При этом в качестве реперного источника используют поток характеристического излучения, генерируемого измеряемым гамма-излучением в дополнительном экране из материала с фиксированным атомным номером, окружающим непосредственно сцинтилляционный детектор. Далее определяют и сравнивают СЗЧСИ в этих ДК и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал коррекции КПДТ.
В этом способе интенсивность характеристического излучения, используемого для создания реперного пика, примерно пропорциональна интенсивности измеряемого излучения и, следовательно, отношение высоты реперного пика к "подкладке" изменяется незначительно. Этот способ обеспечивает достаточно высокую стабильность и надежность работы системы стабилизации спектрометрического тракта.
Однако при практической реализации этого способа также возникает проблема, связанная с необходимостью размещения двух смежных ДК системы стабилизации на разных склонах реперного пика при первоначальной настройке системы стабилизации спектрометрического тракта БД из-за значительного разброса параметров используемых элементов сцинтилляционного детектора, особенно оптико-электронных преобразователей (ФЭУ). Эта проблема обычно решается путем получения спектра с выхода настраиваемого БД в диапазоне энергий, гарантированно включающем реперный пик, и затем расчетным путем определяют требуемый КПДТ для попадания двух смежных ДК системы стабилизации на разные склоны реперного пика. Эти работы требуют специального оборудования и значительных трудозатрат квалифицированного персонала. Особенно обостряется эта проблема при необходимости ремонта блока детектирования с заменой сцинтиллятора или ФЭУ в производственных условиях. Кроме этого, как отмечалось выше, выход ДК за пределы реперного пика возможен после длительного пребывания оборудования в выключенном состоянии из-за значительного изменения температуры окружающей среды или изменения параметров сцинтиллятора или ФЭУ из-за старения.
Технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого способа, заключается в упрощении первоначальной настройки сцинтилляционного БД и повышении стабильности и надежности работы системы стабилизации в условиях значительного изменения температуры окружающей среды и старении элементов сцинтилляционного детектора.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного БД гамма-излучения по реперному пику, генерируемому измеряемым гамма-излучением в дополнительном экране из материала с фиксированным атомным номером, окружающим непосредственно сцинтилляционный детектор, при котором излучение регистрируют в двух ДК, расположенных на разных склонах реперного пика, сравнивают СЗЧСИ в этих ДК и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал коррекции КПДТ, дополнительно вначале постепенно увеличивают КПДТ до тех пор пока СЗЧСИ с выхода БД в процессе повышения не достигнет заранее заданного значения, обусловленного собственными шумами сцинтилляционного блока, при этом временный порог дискриминации БД выбирают таким, что бы при достижении СЗЧСИ с выхода БД заранее заданного значения, обусловленного собственными шумами сцинтилляционного блока, ДК обязательно оказались левее реперного пика, затем постепенно уменьшают КПДТ и одновременно сравнивают СЗЧСИ в обоих ДК до тех пор, пока по результатам сравнения не будет установлено, что правый ДК находится на левом склоне реперного пика, после чего продолжают сравнивать СЗЧСИ в ДК и по результатам сравнения уменьшают или увеличивают КПДТ до тех пор, пока ДК не окажутся на разных склонах реперного пика и только затем устанавливают постоянный порог дискриминации БД и начинают формировать управляющий сигнал коррекции КПДТ для непосредственной стабилизации спектрометрического тракта.
На рис. 1, 2, 3 приведены энергетические спектры, поясняющие заявляемый способ. Эти спектры получены лабораторным путем при разных значениях КПДТ с БД, в котором в качестве реперного источника использовался поток характеристического излучения, возникающего в свинцовом экране толщиной 0,8 мм, окружающем боковую поверхность неорганического сцинтиллятора NaJ(Tl).
На рис. 1 изображен энергетический спектр, на котором можно видеть реперный пик в диапазоне энергий 60-80 кэВ от характеристического излучения тонкого свинцового экрана, окружающего непосредственно сцинтилляционный детектор, а также резкий подъем спектра в области энергий менее 15 кэВ, обусловленный собственными шумами сцинтилляционного блока. На этом рисунке также изображены положения границ двух смежных ДК и временный порог дискриминации БД.
Значения временного порога дискриминации по отношению к значениям границ смежных ДК выбирают таким образом, чтобы при достижении СЗЧСИ с выхода БД заранее заданного значения, обусловленного собственными шумами сцинтилляционного блока, ДК гарантированно оказались левее реперного пика.
В заявленном способе после включения БД вначале постепенно увеличивают КПДТ (например, за счет повышения напряжения питания ФЭУ) до достижения СЗЧСИ с выхода БД заранее заданного значения, которое обусловлено в основном собственными шумами сцинтилляционного блока. Это заранее заданное среднее значение частоты целесообразно выбирать значительно больше максимально возможного значения СЗЧСИ с выхода БД в рабочем режиме. На рис. 1 изображен момент, соответствующий достижению СЗЧСИ с БД этого заранее заданного значения. ДК на этом этапе в работе не участвуют.
Далее, в соответствии с заявляемым способом, начинают постепенно уменьшать КПДТ (например, уменьшая напряжения питания ФЭУ) и сравнивают СЗЧСИ в ДК. Эту операцию проводят до достижения существенного, например двукратного, превышения СЗЧСИ в правом ДК над СЗЧСИ в левом ДК. Положение временного порога дискриминации и границ ДК для этого состояния изображено на рис. 2. Как видно из этого рисунка, правый ДК в этом случае находится на левом склоне реперного пика.
Затем продолжают сравнивать СЗЧСИ в ДК и по результатам сравнения уменьшают или увеличивают КПДТ до тех пор, пока ДК не окажутся на разных склонах реперного пика. При этом критерием нахождения ДК на разных склонах реперного пика может служить равенство или заданное отношение СЗЧСИ в обеих ДК. Положение временного порога дискриминации и границ дифференциальных каналов для этого состояния изображено на рис. 3.
Теперь в БД устанавливают постоянный порог дискриминации, значение которого выбирают в зависимости от решаемой задачи контроля технологических параметров, и начинают формировать управляющий сигнал коррекции КПДТ для обеспечения фиксированного местоположения ДК по отношению к реперному пику. Таким образом, БД переходит в рабочий режим, при котором начинает действовать известная система дифференциальной стабилизации сцинтилляционного блока детектирования по реперному пику, генерируемому измеряемым гамма-излучением в дополнительном экране из материала с фиксированным атомным номером, окружающим непосредственно сцинтилляционный детектор, при котором излучение регистрируют в двух ДК, расположенных на разных склонах реперного пика. При этом сравнивают СЗЧСИ в этих ДК и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал КПДТ БД.
Предлагаемый способ апробирован заявителем в виде программы управления работой сцинтилляционными блоками детектирования БД-6-5 и БД-7-5, в котором в качестве реперного источника использовался поток характеристического излучения, возникающего в свинцовом экране толщиной 0,8 мм, окружающем боковую поверхность неорганического сцинтиллятора NaJ(Tl). Испытания упомянутых блоков детектирования показали надежную работу в широком диапазоне температур (-40…+70)°С и не требовали какой-либо настройки после изготовления или ремонта.
Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное решение является новым, для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области техники, то есть соответствует критериям изобретения.
Литература:
1. Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа, М., Атомиздат, 1976, с. 172.
2. Бутиков И.Ю. и др. Способ стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику. Патент РФ №2495453 от 10.10.2013
3. Ролдугин В.А. и др. Способ дифференциальной стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику. Патент РФ №2225712 от 04.03.2002.