СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОДНОКРАТНОГО ИСТОЧНИКА
METHOD OF MEASURING STREAM OF IONISING RADIATION OF SINGLE SOURCE

Изобретение относится к методам измерения кинетики однократных физических процессов, сопровождаемых генерированием ионизирующих излучений, выходящий поток которых характеризует исследуемое явление.
Предложение заявителя может быть использовано в таких областях, как физика высоких энергий, физика термоядерной плазмы, ядерные эксперименты, где необходимы измерения с высоким временным разрешением при малых плотностях потоков гамма-квантов (нейтронов).
γ
γ
Обычная процедура определения потока излучения - Ф(t), представляющего собой распределение во времени гамма квантов, заключается в преобразовании Ф(t) детектором в такое же распределение электрических импульсов на своем выходе в виде тока:
к
где а - амплитуда к-того импульса,
k
t - временные отметки появления импульсов на выходе детектора,
g(t) - импульсная характеристика (ИХ) детектора в виде импульса тока на его выходе в результате взаимодействия с одним гамма-квантом.
0,5
0
0,5
0
Ширина ИХ на половине ее высоты - τ является числовым параметром ИХ и используется как временное разрешение детектора, характеризующее его инерционность; обычно полная длительность ИХ принимается равной τ~3·τ; очевидно, что чем меньше параметр τ, тем выше временное разрешение детектора.
k
0
к
k
0
k
0
к
Известен интегральный (аналоговый) метод измерения Ф(t) [1], заключающийся в суммировании детектором электрических зарядов в каждом временном интервале - Δt=τ, равном временному разрешению измерения потока при взаимодействии в нем δn - гамма квантов, в результате чего на выходе детектора появляется временная зависимость среднего тока, равного ~q(t)/τ, где q(t) - суммарный электрический заряд в интервале длительностью τ со статистической ошибкой √δn. Очевидно, что средний ток детектора есть наложенные друг на друга единичные токи - g(t) от отдельных взаимодействий, который можно представить в виде:
А - площадь детектора,
N
-2
-1
φ(τ) - плотность потока квантов (γ·см·с).
Выражение (2) получается из (1) при следующих допущениях:
- распределение гамма-квантов на временной оси является пуассоновским,
0
к
0
- в интервале суммирования τ должно быть достаточно много регистрируемых квантов - δn, чтобы их доля, попадающая на края интервала τ, была незначительной, которыми можно пренебречь.
k
0
Если измерение Ф(t) достаточно проводить с временным разрешением Δt>>τ (т.е. меньшим чем разрешение детектора), то выражение (2) упрощается и принимает вид:
2
-9
к
0
дср
дср
0
где S=A·∫g(τ)·dτ - квантовая чувствительность детектора, А·см/квант. Если же требуется измерять Ф(t) с временным разрешением Δt≤τ, то для его нахождения по измеренной зависимости I(t) приходится решать уравнение обратной свертки (2) и точность определения Ф(t) будет зависеть как от точности измерения I(t), так и точности знания g(t), что проблематично при τ≤~10 с.
0
Таким образом, токовый метод позволяет проводить измерения Ф(t) с разрешением не лучше чем разрешение детектора - τ, однако для этого необходимо иметь на его входе достаточную плотность потока и знание с хорошей точностью формы g(t).
Ограничения интегрального способа измерений
0
N
дср
0
0
физ
RC
Временное разрешение интегрального способа измерений Ф(t) не может быть менее τ, длительности ИХ детектора, что следует из (3). При малых значениях φ(t) для обеспечения необходимой статистической точности измерения I(t), т.е. попадания в интервал τ достаточного числа импульсов тока (~100 для 10% погрешности амплитуды), приходится увеличивать площадь детектора - А, что ведет к ухудшению его временного разрешения за счет увеличения времени формирования выходного электрического сигнала. В самом деле, длительность ИХ детектора - τ определяется как временем преобразования поглощенной энергии излучения в электрический заряд - τ, так и временем формирования его в выходной электрический сигнал - τ; в первом приближении:
0
физ
RC
2
2
τ=√τ +τ .
физ
физ
RC
дср
Таким образом, интегральный способ измерения Ф(t) позволяет проводить измерения с наивысшим временным разрешением детектора, равном τ, только при его размерах, пока τ<τ; в свою очередь, эти размеры определяют минимальное значение плотности потока излучения на его входе для получения на его выходе I(t) с заданной относительной ошибкой - Δ.
γ
Интегральный метод измерения Ф(t) обеспечивает относительно низкое его качество, под которым понимается отношение полезного сигнала к дисперсии полного шума, т.е. флуктуации суммарного тока детектора, в которую входит, помимо статистического разброса числа импульсов, также разброс ИХ отдельных импульсов, форма которых целиком входит в значение суммарного тока.
γ
к
0
-9
15
20
2
Таким образом, интегральный метод не может обеспечивать измерения Ф(t) с временным разрешением лучше длительности импульсной характеристики детектора, которая обратно пропорциональна его чувствительности. Поэтому этим методом можно измерять потоки с разрешением Δt~τ≤10 с лишь при очень высоких плотностях потока (>10-10 γ/смс).
к
к
к
0
к
Известен счетный метод измерения потока гамма-квантов однократного источника - прототип, заключающийся в регистрации детектором временного распределения (таймирования) взаимодействий с ним отдельных гамма-квантов с последующим суммированием их числа в каждом из одинаковых интервалов времени Δt и построением гистограммы потока излучения [2]. Суммирование импульсов на временной оси в интервалах Δt ведет к тому, что их число δn в каждом из них ограничивается длительностью импульсной характеристики детектора - τ и допустимым числом просчетов - ξ; для распределения Пуассона справедливо соотношение между ними:
γ
0
к
к
Отсюда, можно оценить относительное ухудшение временного разрешения измерений Ф(t) одноканальным счетным методом по сравнению с интегральным при одинаковых временных разрешениях детекторов (τ) для получения гистограммы потока с одинаковой статистической точностью 10% (δn=100) при ξ=0,05:
к
0
(Δt/τ)≤2000 раз.
γ
Таким образом, недостатком прототипа является низкое временное разрешение потока Ф(t).
γ
k
0
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность измерения однократного потока Ф(t) с временным разрешением, более высоким по сравнению с интегральным, т.е. с Δt<τ при малой плотности потока на входе детектора, т.е. с высокой чувствительностью.
к
к
к
к
ф
k
0
0
ф
Указанный технический результат в предлагаемом способе измерения потока гамма излучения однократного источника достигается тем, что регистрируют временное распределение отдельных гамма-квантов, разбивают длительность протекающего процесса Т=m·Δt на m (m≥1) интервалов времени Δt (временное разрешение измерения потока), суммируют гамма-кванты в интервалах времени -Δt и строят гистограмму потока, N независимых одинаковых детекторов (где N≥1) располагают в одной плоскости с равномерной плотностью потока, распределение гамма квантов в виде временных отметок выходных импульсов тока регистрируют одновременно N независимыми одинаковыми детекторами, суммируют временные отметки выходных импульсов тока со всех детекторов в каждом из интервалов времени Δt и строят гистограмму потока с временным разрешением измерения потока Δt≤Δt<<τ, где τ - разрешение одного канала, а τ - длительность фронта импульса.
k
Чувствительность измерений повышается при увеличении числа используемых детекторов с сохранением временного разрешения измерений, равного - Δt.
к
Существо данного предложения заключается в суммировании числа импульсов в каждом интервале Δt не по оси времени, а по площади детектирования, с выхода различных детекторов в соответствующие интервалы времени.
γ
к
0
В этом случае значение временного разрешения измерений Ф(t), т.е. величина Δt, может быть доведена до значений, равных погрешности временной отметки взаимодействия гамма-кванта с детектором (время таймирования), которое может быть меньше τ - длительности его импульсной характеристики.
к
ф
к
0
к
0
к
-10
Время таймирования γ -квантов - Δt можно осуществлять по переднему фронту импульсов тока - τ≤Δt<<τ (в прототипе Δt>>τ), что дает возможность уменьшать Δt вплоть до ~10 c при использовании дискриминации импульсов по амплитуде.
0
ф
0
ф
к
к
Таким образом, предлагаемый способ дает улучшение временного разрешения по сравнению с интегральным в ~(τ(/τ) раз, а по сравнению со счетным по одному каналу - [(τ/Δt)·Δt/ξ)] - раз.
γ
Одновременно предлагаемый способ измерения Ф(t) дает возможность повышать чувствительность измерений за счет увеличения числа детекторов без ухудшения временного разрешения измерений потока.
γ
Возможность реализации предлагаемого способа измерений Ф(t).
γ
Для реализации данного способа измерения необходимы многоканальный детектор (МД) с одинаковыми параметрами его составляющих и их расположением в одной плоскости измерения, в которой обеспечена одинаковая плотность потока, а также электронное устройство (ЭУ) сбора и обработки сигналов с элементов МД и построения гистограммы Ф(t).
γ
Элементы МД для измерений Ф(t) должны отвечать следующим требованиям:
- высокое временное разрешение,
- наличие внутреннего механизма широкополосного умножения первичного электрического заряда для облегчения их обработки в ЭУ,
- малые размеры ее элементов для конструирования МД.
При конкретной реализации устройства, например, в качестве многоканальных детекторов можно использовать детектор SiPM+ЧР (кремниевый фотоумножитель + черенковский радиатор) - МД из сборных элементов или детектор RPC (Resistive Plate Chamber, искровая камера с диэлектрической пластиной) - МД с виртуальными элементами.
Эти два типа современных детекторов, удовлетворяют перечисленным требованиям [4, 5].
Электронное устройство сбора и обработки сигналов.
γ
Наиболее простая схема построения ЭУ показана на фиг.1, где каждый канал измерения заканчивается многоканальным временным анализатором (МВА), с выходов которых информация в PC преобразуется в гистограмму Ф(t).
Однако такая схема становится дорогой и нереальной при большом числе каналов; необходимы дополнительные устройства внутри ЭУ с большим числом входов, способные осуществлять обработку входных импульсов (от детекторов) с целью измерения и запоминания их амплитуд и времени появления, а также «уплотнения» этой информации с целью передачи ее по одному выходному каналу. Такие устройства в литературе получили название - ASIC (Application Specific Integrated Circuit), которые выполняются, обычно, в интегральном исполнении, что существенно улучшает их частотные параметры и снижает стоимость изготовления. На сегодняшний день они широко применяются для решения многих задач.
Для примера, на фиг.2 приведена упрощенная блок-схема амплитудного и временного распределений импульсов в 32 каналах ASIC [4], выводимых по одному выходу, описанная в [6], которая имеет 32 входа и один выход, между которыми осуществляются операции по измерению моментов появления импульсов (измеряется по времени достижения максимума амплитуды) по 32 каналам МД, их запоминанию в реальной последовательности для последующего считывания, оцифровки и передачи через один выходной канал.
1 - блок коммутации импульсов;
2 - массив значений амплитуд и матрица время - амплитудного конвертора;
3 - устройство уплотнения сигналов;
4 - логическое устройство организации доступа к общей шине;
5 - логическое устройство планирования процессов в ASIC.
Блоки системы ASIC активируются с момента срабатывания компаратора.
Источники информации
1. З.А.Альбиков, А.И.Веретенников, О.В.Козлов, «Детекторы импульсного ионизирующего излучения», Москва, Атомиздат, 1978 г.
2. С.С.Ветохин, И.Р.Гулаков и др. «Оптоэлектронные фотприемники». М. Энергоатомиздат, 1986 г
3. O'Connor; DeGeronimo et al. "Method and apparatus for signal processing in a sensor system for use in spectroscopy". Patent USA №7, 378, 637 2008 г.
4. M.Couceiro, A.Blanco et al. "RPC-PET: Status and perspectives." NIM Vol.580, Iss-2, 2007.
5. Ruud Vinke "Optimizing timing resolution of SiPM sensors for use in TOF-PET detectors". NDIP-20 June 2008, Overvju /University of Groningen/.
6. G. De Geronimo, P.O.Connor et al. "Advanced Readout ASIC for Multielement CZT Detectors" 2002. BNL NIM.