ПОЛЕВОЙ СПЕКТРОМЕТР ГАММА ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области обнаружения и идентификации радионуклидов различного происхождения (природного, промышленного, в том числе медицинского) и может быть использована в лабораторных и полевых условиях.
Из уровня развития техники известен спектрометр МКС-АТ6101 [Спектрометры МКС-АТ6101. Описание типа. Приложение к Свидетельству об утверждении типа средств измерений. Внесены в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №32791-09, с информацией можно ознакомиться в сети Интернет ], предназначенный для спектрального гамма- и нейтронного сканирования окружающей среды с привязкой на местности (GPS), контроля за перемещением радиоактивных источников и ядерных материалов и радиационного картографирования. Спектрометр состоит из внешнего спектрометрического блока детектирования гамма-излучения и блока обработки информации, соединенных между собой. В состав внешнего спектрометрического блока входит сцинтилляционный детектор на основе NaI (Tl), фотоэлектрический умножитель (ФЭУ), аналого-цифровой преобразователь, устройство светодиодной стабилизации, устройство цифровой термокомпенсации спектрометрического тракта от встроенного датчика температуры и микропроцессорная система. В состав блока обработки информации входит устройство звуковой сигнализации, жидкокристаллический экран для отображения информации, клавиатура и микропроцессорная система. Недостатком данного устройства является отсутствие средств записи поясняющей информации об условиях измерения спектра, что в условиях полевых пешеходных измерений оператор вынужден вручную выполнять большое количество действий, а именно, заносить в журнал работ результаты измерений и описание условий их проведения, что приводит к значительному уменьшению производительности труда оператора. Другим недостатком является наличие кабеля между двумя блоками спектрометра, что затрудняет манипуляции со спектрометром в полевых условиях. В качестве прототипа выбран спектрометр гамма-излучения МКСП-01 «РАДЭК» [Спектрометры гамма-излучения МКСП-01 «РАДЭК». Описание типа средства измерения. Приложение к Свидетельству об утверждении типа средств измерений. Внесены в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №46000-10 с информацией можно ознакомиться ] выполненный в виде моноблока состоящий из блока детектирования, фотоэлектрического умножителя, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессорной системы. Также спектрометр содержит приемник GPS и радиопередающий модуль BlueTooth для передачи измеренных данных в компьютер. Спектрометр используется для определения активностей и удельных активностей радионуклидов в образцах и в условиях естественного залегания. Спектрометр может использоваться для работы, как в лабораторных, так и полевых условиях.
Недостатком данного устройства является то, что спектрометр реализован в виде моноблока. Учитывая, что в полевых условиях измерения проводятся в труднодоступных местах и неблагоприятных условиях, такая конструкция усложняет оператору управление спектрометром и может не обеспечить постоянный контроль за функционированием спектрометра Другим недостатком является отсутствие автоматизированных средств записи поясняющей информации. В условиях полевых измерений оператор вынужден вручную фиксировать координаты места измерений, заносить в журнал работ результаты измерений и описание условий их проведения, что приводит к значительному снижению производительности труда оператора.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение арсенала средств и создание нового спектрометра, удобного в применении.
Техническим результатом предложенного спектрометра является:
- возможность автоматизации записи информации об условиях и месте проведения измерений спектра,
- возможность оперативного контроля за ходом измерений
Поставленная задача решается изменением схемы предложенного спектрометра.
Полевой спектрометр гамма излучения имеет блок детектирования и блок регистрации. В состав блока детектирования входят соединенные последовательно своими входами и выходами сцинтилляционный кристалл, фотоэлектрический умножитель, предусилитель, управляемый усилитель-инвертор, пиковый детектор, и аналого-цифровой преобразователь. Выход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подключен к первому входу микропроцессорной системы блока детектирования, а управляющий вход АЦП подключен к первому выходу микропроцессорной системы блока детектирования. Блок детектирования имеет также систему стабилизации, включающую импульсный генератор тока, вход которого соединен со вторым выходом микропроцессорной системы блока детектирования, а выход - со светодиодом, выполненным с обеспечением возможности подачи сигналов на фотокатод фотоэлектронного умножителя. Система стабилизации также имеет в своем составе термодатчик, выход которого соединен со вторым входом микропроцессорной системы блока детектирования. Ее третий выход соединен с входом управляемого высоковольтного блока питания, соединенного своим выходом с входом питания фотоэлектронного умножителя. Четвертый выход микропроцессорной системы блока детектирования соединен с управляющим входом управляемого усилителя-инвертора. Его второй выход через дискриминатор, управляемый через вход управления с пятого выхода микропроцессорной системы, соединен с третьим входом микропроцессорной системы блока детектирования. Микропроцессорная система блока детектирования своим шестым выходом соединена с входом управления пикового детектора, и двухнаправленным входом-выходом - с модулем беспроводного интерфейса блока детектирования. Блок регистрации имеет в своем составе микропроцессорную систему блока регистрации, к которой подключены дисплей, клавиатура, карта памяти, приемник системы позиционирования, USB интерфейс, Ethernet интерфейс, модуль беспроводного интерфейса блока регистрации, имеющий двухстороннюю связь с модулем беспроводного интерфейса блока детектирования. Блок регистрации также имеет в своем составе, подключенный к микропроцессорной системе блока регистрации, аудио усилитель, к которому подсоединены микрофон и динамик.
На Фигуре в качестве примера реализации представлена функциональная схема полевого спектрометра гамма-излучения.
На Фигуре обозначено: 1 - блок детектирования, 2 - блок регистрации, 3 - сцинтилляционный кристалл, 4 - фотоэлектронный умножитель, 5 - предусилитель, 6 - управляемый усилитель-инвертор, 7 - пиковый детектор, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - управляемый высоковольтный блок питания, 10 - светодиод, 11 - импульсный генератор тока, 12 - дискриминатор, 13 - микропроцессорная система блока детектирования, 14 - модуль беспроводного интерфейса блока детектирования, 15 - термодатчик, 16 - микрофон, 17 - динамик, 18 - аудио усилитель, 19 - дисплей, 20 - клавиатура, 21 - карта памяти, 22 - приемник системы позиционирования, 23 - USB интерфейс, 24 - Ethernet интерфейс, 25 - микропроцессорная система блока регистрации, 26 - модуль беспроводного интерфейса блока регистрации,
Полевой спектрометр гамма-излучения состоит из двух блоков - блока детектирования 1 и блока регистрации 2.
Блок детектирования 1 имеет измерительную цепь, которая содержит сцинтилляционный кристалл 3, сопряженный с фотоэлектрическим умножителем 4, предусилитель 5, выход которого через управляемый усилитель-инвертор 6 и пиковый детектор 7 соединен с аналого-цифровым преобразователем 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к первому входу микропроцессорной системы 13 блока детектирования, а его управляющий вход подключен к первому выходу микропроцессорной системы 13 блока детектирования. Блок детектирования 1 имеет также систему стабилизации, включающую импульсный генератор тока 11, вход которого соединен со вторым выходом микропроцессорной системы 13 блока детектирования, а выход соединен со светодиодом 10, сигналы (вспышки) которого подаются на фотокатод фотоэлектронного умножителя 4. В состав системы стабилизации входит также термодатчик 15, выход которого соединен со вторым входом микропроцессорной системы 13 блока детектирования. Третий выход микропроцессорной системы 13 соединен через управляемый высоковольтный блок питания 9 с входом питания фотоэлектронного умножителя 4, четвертый выход микропроцессорной системы 13 соединен с управляющим входом управляемого усилителя-инвертора 6, второй выход которого через дискриминатор 12, управляемый через вход управления с пятого выхода микропроцессорной системы 13, соединен с третьим входом микропроцессорной системы 13. Микропроцессорная система 13 своим шестым выходом соединена с входом управления пикового детектора 7, и двунаправленным входом-выходом - с модулем 14 беспроводного интерфейса блока детектирования
Блок регистрации 2 имеет в своем составе микропроцессорную систему 25 блока регистрации, к которой подключены дисплей 19, клавиатура 20, карта памяти 21, приемник системы позиционирования 22, например, GPS/GLONASS-приемник, USB интерфейс 23, Ethernet интерфейс 24 и модуль 26 беспроводного интерфейса блока регистрации, имеющий двухстороннюю связь с модулем 14 беспроводного интерфейса блока детектирования. Блок регистрации 2 дополнительно содержит, подключенный к микропроцессорной системе 25 блока регистрации, аудио усилитель 18, к которому подсоединены микрофон 16 и динамик 17. Полевой спектрометр гамма излучения работает следующим образом.
Световые вспышки, образующиеся в сцинтилляционном кристалле 3, при прохождении гамма излучения, регистрируются фотоэлектронным умножителем, выходные сигналы которого усиливаются предусилителем 5 и управляемым усилителем-инвертором 6 и подаются на вход пикового детектора 7 и вход дискриминатора 12. Пиковый детектор, получая сигнал на своем входе, вырабатывает на своем выходе сигнал, равный максимальному входному сигналу. Сигнал с выхода пикового детектора 7 поступает на аналого-цифровой преобразователь 8. При превышении входного сигнала дискриминатора 12 уровня регистрации импульса, который задается микропроцессорной системой 13 через ее пятый выход на управляющий вход дискриминатора 12, дискриминатор генерирует сигнал, который получает микропроцессорная система 13 блока детектирования. По этому сигналу микропроцессорная система 13, используя свой первый выход, управляет АЦП 8, который производит измерение, результат которого микропроцессорная система 13 получает через свой первый вход, и сохраняет в буферной памяти, после чего микропроцессорная система 13 посылает со своего пятого выхода импульс управления на дискриминатор 12, который обеспечивает обнуление сигнала, вырабатываемого пиковым детектором 7.
Стабилизация измерительной цепи осуществляется по реперному пику, образующемуся в гамма-спектре при поступлении световых импульсов от специального светодиода 10 на вход фотоэлектронного умножителя 4. Светодиод 10 запитывается импульсным генератором тока 11, управляемым микропроцессорной системой 13. Микропроцессорная система 13 определяет положение реперного пика на спектре и затем поддерживает его положение в заданных пределах путем управления по специальной программе, учитывающей данные температурного датчика 16, коэффициентом усиления управляемого усилителя-инвертора 6 и напряжением, вырабатываемым управляемым высоковольтным блоком питания 9.
Блок детектирования 1 через дополнительно введенный модуль 14 беспроводного интерфейса блока детектирования устанавливает соединение для двустороннего обмена с модулем 26 беспроводного интерфейса блока регистрации, через которое получает команды от блока регистрации и отправляет в него результаты обработки.
В процессе работы микропроцессорная система 25 отображает текущие результаты на дисплее 19 и воспроизводит через аудио усилитель 18 и динамик 17 звуковые сигналы, информирующие о процессе измерений. Для измерения спектра гамма излучений оператор на клавиатуре 22 набирает команду «Начало измерения», для выполнения которой микропроцессорная система 25 блока регистрации через модуль беспроводного интерфейса 26 блока регистрации, беспроводное соединение и модуль беспроводного интерфейса 14 блока детектирования отправляет команду «Начало измерения» микропроцессорной системе 13 блока детектирования, которая производит измерение спектра и затем через модуль беспроводного интерфейса 14 блока детектирования, беспроводное соединение и модуль беспроводного интерфейса 26 блока регистрации отправляет результаты обратно в микропроцессорную систему 25. Получив результат измерений, микропроцессорная система 25 фиксирует координаты места измерений посредством приемника системы позиционирования 22, с помощью микрофона 16 и аудио усилителя 18 микропроцессорная система 25 записывает комментарии оператора об измерении спектра, объединяет результаты измерения спектра, координаты и время измерения и комментарии оператора в единый файл и сохраняет его на карте памяти 21 в виде отдельного файла.
По окончании работы микропроцессорная система 25 блока регистрации через USB интерфейс 23 или Ethernet интерфейс 24 может быть подключена к персональному компьютеру для дальнейшей обработки результатов измерений.
Применение предложенного спектрометра позволяет автоматизировать сбор и запись информации об условиях и месте проведения измерений спектра совместно с результатами измерений, что освобождает оператора от необходимости производить рукописные записи в журнал в любых погодных условиях, характерных для полевых измерений, повышая тем производительность и удобство работы оператора.
Также оператор имеет возможность независимо от блока регистрации, который постоянно находится у оператора, перемещать блок детектирования, что позволяет провести измерения в труднодоступных места и тяжелых условиях проведения измерений, постоянно осуществляя контроль за ходом измерений.