СПОСОБ КАЛИБРОВКИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРОМЕТРА γ-ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF CALIBRATION AND STABILIZATION OF γ-RADIATION SPECTROMETER PARAMETERS

Изобретение относится к экспериментальной: ядерной физике и радиационному приборостроению и может быть использовано в спектрометрической аппаратуре, а также в радиационных приборах контроля различных технологических параметров с применением спектрометрических блоков детектирования.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении автоматической корректировки показаний спектрометра γ-излучения в условиях изменяющихся внешних факторов (температура, уровень статистической загрузки и т.д.).
Известен ряд способов стабилизации спектрометров, в которых используют информацию, получаемую от дополнительных реперных радиоактивных излучателей, поскольку в них регулирующей обратной связью охвачен как детектор так и усилительный тракт блока детектирования [Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа, М, Атомиздат, 1976, с. 172|.
Эти известные способы имеют следующие недостатки: во-первых, при работе с дополнительным реперным радиоактивным излучателем не обеспечивается высокая стабильность и надежность при значительном изменении интенсивности измеряемого излучения, так как высота реперного пика на спектральном распределении остается постоянной, а остальная часть распределения, в том числе "подкладка" под реперным пиком изменяется пропорционально интенсивности измеряемого излучения. При значительных загрузках эта "подкладка" может во много раз превосходить высоту реперного пика, что снижает надежность стабилизации; во-вторых, наличие дополнительного реперного радиоактивного источника усложняет конструкцию, снижает надежность и повышает стоимость блока детектирования.
Известен также способ стабилизации параметров спектрометра γ-излучения по патенту на изобретение RU 2364892 [публик. 20.08.2009], включающий стабилизацию чувствительности, при которой определяют амплитудный спектр поступающего от блока сигнала, вычисляют интегральные значения скоростей счета в окнах спектра, находят на спектре действительное местоположение репера, измеряют его отклонение от требуемого положения и вырабатывают сигнал коррекции чувствительности в зависимости от полученной величины и знака отклонения, при этом требуемое положение репера выбирают на спектре в точке резкого возрастания спектра.
Недостаток способа заключается в трудности определения реперной точки, резкого спада, что может привести к неустойчивости стабилизации. Еще одним недостатком является функциональная ограниченность способа, т.к. стабилизируют только один параметр - чувствительность спектрометрического тракта, при этом необходимо также стабилизировать и другие параметры - например, коэффициент сквозного преобразования спектрометрического тракта (зависимость положения аппаратурного спектра спектрометра от энергии регистрируемого гамма-излучения).
9
238
239
241
Наиболее близким по назначению и количеству сходных признаков к заявляемому изобретению является принятый за прототип способ калибровки и стабилизации параметров спектрометра γ-излучения по патенту на. изобретение RU 2366979 [публик. 10.09.2009]. Способ включает периодическую (при необходимости раз в три месяца) калибровку аппаратурного спектра путем регистрации γ-излучения от, по меньшей мере, одного, реперного источника излучения, подаваемого до начала измерения исследуемого излучения. В качестве реперного источника γ-излучения применяют изотопный источник быстрых нейтронов, основанный на (α,n) реакции, идущей на Be, α-излучателем является один из радионуклидов, обладающих мягким собственным гамма-излучением: Pu, Рu, Am. В (α,n) реакции, кроме нейтронов, рождаются γ-кванты. Т.о. в качестве источника γ-излучения высокой энергии применяют изотопные источники быстрых нейтронов с изменением выхода нейтронов не более 1% в год. Источник устанавливают на заданном расстоянии от блока детектирования, при этом источник, а также блок экранируют для защиты детектора от медленных нейтронов и мягкого γ-излучения. В процессе калибровки регистрируют амплитудный спектр входного сигнала, определяют положения пиков полного поглощения излучения реперного источника на энергетической шкале спектрометра и производят построение зависимости положения номера канала спектрометра от энергии γ-излучения в диапазоне энергий от 59,5 кэВ до 4,44 МэВ, по следующим пикам полного поглощения: 59,5 кэВ, (94,7-103,8) кэВ, 511 кэВ, 834 кэВ, 3,42 МэВ, 3,93 МэВ, 4,44 МэВ, с занесением результатов в качестве эталонных в память компьютера. Стабилизацию параметров спектрометра осуществляют только при наличии исследуемого источника в процессе измерений его излучения одновременно по нескольким опорным линиям, лежащим в начале, середине и конце рабочего диапазона. Так, в процессе стабилизации в течение 0,1-1 с сканируют набираемый спектр исследуемого излучения и одновременно сравнивают положения пиков полного поглощения от исследуемого излучения с положением пиков полного поглощения от эталонной зависимости из базы данных, полученной при калибровке. В случае расхождения корректируют положение пиков полного поглощения посредством изменения коэффициента усиления.
Недостатком прототипа является то, что при осуществлении стабилизации от исследуемого излучения не учитывается изменение внешних условий работы спектрометра, что отрицательно сказывается на решении задачи стабилизации процесса контроля в условиях изменяющихся внешних факторов, влияющих на стабильность работы спектрометра. Следует также отметить, что этот способ можно применить только при исследовании излучения с определенными характеристиками (в процессе контроля герметичности оболочек ТВЭЛ ядерных реакторов), при исследовании другого излучения не всегда в спектре будет иметься пик,. пригодный для использования в системе стабилизации. В случае отсутствия пика в спектре исследуемого излучения, как например, при регистрации естественного или другого непрерывного излучения, стабилизация указанным способом вообще невозможна, что приводит к ограничению его функциональных возможностей. Точность корректировки в результате стабилизации по исследуемому внешнему излучению возможна только при наличии в спектральном распределении достаточно четко выраженного отдельно расположенного пика, а в случае с несколькими пиками добиться точности затруднительно, что приводит к дополнительной аппаратурной погрешности. Кроме того, применение вышеуказанных реперных источников излучения приводит к необходимости использования радиационной зашиты и осложняет обслуживание.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа,
232
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе калибровки и стабилизации параметров спектрометра γ-излучения, содержащем калибровку аппаратурного спектра, включающую регистрацию входного сигнала от реперного изотопного источника γ-излучения, определение положения пиков полного поглощения излучения реперного источника на энергетической шкале спектрометра, определение номеров каналов, которым соответствуют энергии найденных пиков γ-излучения, и последующую стабилизацию параметров спектрометра путем корректировки положения пика полного поглощения на момент осуществления стабилизации в соответствии с его положением, определенным при калибровке, посредством изменения коэффициента усиления, новым является то, что калибровку и стабилизацию осуществляют от одного и того же встроенного в блок реперного низкоактивного источника γ-излучения, в качестве которого используют радионуклид Th с активностью менее минимальной значимой активности, процедуру осуществляют постоянно на протяжении всего времени работы спектрометра путем циклического выполнения итераций в соответствии со специально разработанным программным обеспечением, при осуществлении стабилизации контролируют найденное положение наиболее высокоэнергетического пика полного поглощения реперного источника, соответствующего энергии 2614 кэВ, местонахождение которого определяют путем аппроксимации участка спектра функцией Гаусса, дополненной линейной функцией для учета фонового γ-излучения методом наименьших квадратов, при этом перед изменением коэффициента усиления осуществляют проверку соответствия параметров найденного пика критериям достоверности, в качестве которых принимают минимальное значение площади под аппроксимирующей кривой за вычетом фона и допустимое значение полной ширины на половине высоты (ПШПВ) аппроксимирующей кривой, причем изменением коэффициента усиления добиваются соответствия положения пика номеру канала, определенному при калибровке, после завершения итерации начинается выполнение следующей, с коэффициентом усиления, определенным в предыдущей.
Осуществление процесса калибровки и стабилизации от одного и того же встроенного в блок реперного источника излучения позволяет упростить процесс корректировки, а в совокупности со специализированным программным обеспечением, реализующим алгоритм анализа γ-спектра и управления аппаратными параметрами системы, добиться автоматической корректировки спектра постоянно в течение всего времени работы спектрометра, независимо от факторов, вызывающих его дестабилизацию.
232
3
232
Использование в качестве реперного источника γ-излучения низкоактивного радионуклида Th (с активностью не более 10 Бк) позволяет, используя минимально значимую активность радионуклида Th, произвести настройку спектрометра и установить необходимый уровень контролируемого спектра при работе в помещении или на рабочем месте (Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. СанПин 2.6.1.2523-09.: Москва: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009 - 87 с).
Осуществление процесса калибровки и стабилизации непрерывно на протяжении всего времени работы спектрометра в соответствии со специально разработанным программным обеспечением путем циклического выполнения итераций позволяет получать объективные данные измерительного тракта независимо от того, по какой внешней причине изменились его характеристики.
Контроль найденного положения наиболее высокоэнергетического пика полного., поглощения реперного источника, соответствующего энергии 2614 кэв, связан с тем, что этот пик находится в конце энергетического диапазона регистрации, является наиболее уязвимым при воздействии дестабилизирующих условий и подвержен смещению от номинального положения, кроме того он почти симметричен и может быть описан функцией Гаусса.
Определение местонахождения интересующего пика путем аппроксимации участка спектра функцией Гаусса, дополненной линейной функцией для учета фонового γ-излучения методом наименьших квадратов, позволяет определить центроиду пика в анализируемом участке спектра даже при малом количестве импульсов.
Проведение проверки соответствия найденного пика критериям достоверности перед коррекцией коэффициента усиления, позволяет найти положение пика полного поглощения именно на том участке спектра, в котором площадь под кривой Гаусса соответствовала бы выбранному оптимальному соотношению точности определения положения пика ко времени выполнения одной итерации.
Принятие в качестве критериев достоверности минимального значения площади под аппроксимирующей кривой за вычетом фона и допустимое значение ПШПВ аппроксимирующей кривой обеспечивает повышение точности стабилизации даже при малом количестве импульсов в анализируемом участке спектра.
Установка соответствия положения пика номеру канала путем изменения коэффициента усиления позволяет учесть зависимость изменения величины коэффициента усиления от количества каналов, на которые необходимо сместить пик.
Обнуление при завершении итерации спектра в буферной области памяти и начало следующей итерации позволяет непрерывно отслеживать влияние внешних факторов на показания спектрометрического тракта и проводить корректировку получаемых данных с их учетом.
На фиг. 1, 2 представлен аппаратурный спектр с найденным положением пика (на фиг. 1 - примерный, на фиг. 2 - после подтверждения достоверности).
232
2
Заявляемый способ можно пояснить на примере корректировки и стабилизации энергетического спектра портативного устройства радиационной паспортизации «ПУРП-02», предназначенного для контроля неизменности количества, состава и конфигурации делящихся материалов, заключенных в контейнер. Прибор включает модуль гамма-детектора и модуль управления и обработки данных. Модуль гамма-детектора состоит из сцинтсборки, которую размещают в алюминиевом пенале. Сцинтсборка включает: кристалл NaI(Tl) диаметром 1ʺ, длиной - 2ʺ, фотоэлектронный, умножитель ФЭУ с резистивным делителем и магнитным экраном и реперный источник Th - γ-излучения активностью 900±50 Бк из двуокиси тория ТhO. Корпус источника выполнен из нержавеющей стали. После засыпки в полость диоксида тория и его уплотнения крышка приваривается лазерной сваркой к корпусу, что обеспечивает надежную герметичность источника. Источник помещается в колпачок из АБС-пластика и прижимается, через свинцовую пластину толщиной ~ 1 мм, к торцу гамма-детектора. Свинцовая пластина необходима для снижения интенсивности в низкоэнергетической части γ-излучения источника. Колпачок с источником и свинцовой пластиной надевается на торец детектора. Модуль управления и обработки данных (анализаторе) принимает электрические импульсы от сцинтсборки. В анализаторе происходит усиление и амплитудно-цифровое преобразование импульсов. По заданному протоколу и алгоритму происходит обмен данными и установочными коэффициентами с одноплатным компьютером. Нестабильность энергетического спектра возникает потому, что прибор со временем теряет свои характеристики за счет деградации химических и физических структур и подвержен большому числу дестабилизирующих факторов. Нестабильность возникает и по дальнейшему пути следования сигнала в предусилителе, усилителе, АЦП, при переходе между ними.
232
232
Способ калибровки и стабилизации параметров устройства радиационной паспортизации «ПУРП-02» включает следующие процессы. Сначала при включении прибора в режим «калибровка» регистрируют амплитудный спектр входного сигнала от реперного источника Th. Импульсы от модуля гамма-детектора поступают в модуль управления и обработки данных, где происходит усиление и амплитудно-цифровое преобразование импульсов. С помощью специально разработанного программного обеспечения (ПО) по четырем γ-линиям определяют положения пиков полного поглощения излучения источника Th на энергетической шкале прибора. Пики полного поглощения почти симметричны, и в качестве положения пиков выбирают их центроиды, определенные осью симметрии. Поэтому для описания пика подходит функция Гаусса:
0
0
2
где у(х) - число отсчетов в канале х; у - амплитуда пика; х - центроида пика; σ - дисперсия. Определяют калибровочные коэффициенты - зависимости номера канала анализатора от энергии γ-кванта.
Для стабилизации выбирают участок спектра с пиком 2614 кэВ, который находят и обрабатывают с помощью ПО и одноплатного компьютера, работающего под операционной системой Android, с которым по заданному протоколу и алгоритму, происходит обмен данными и установочными коэффициентами.
232
Стабилизацию осуществляют от того же встроенного в блок источника Th путем циклического выполнения итераций, каждая из которых включает следующую последовательность действий; набор спектра; выбор интересующей области спектра; аппроксимирование этой области и определение примерных параметров пика (фиг. 1); проверка достоверности найденного пика на соответствие определенным критериям и определение окончательного на момент выполнения итерации положения (фиг. 2). Выполнение итерации происходит следующим образом. После получения набранного за время выполнения итерации спектра необходимо найти интересующую область. Для этого исходный спектр усредняется по трем точкам, методом анализа первой производной находят примерное расположение центроиды пика и выбирают участок спектра, соответствующий ±ПШПВ от центроиды с учетом разрешения используемого детектора в этом энергетическом диапазоне. Фоновая «подложка» под искомым пиком аппроксимируется прямой методом наименьших квадратов. Выбранный участок спектра описывается функцией:  где a, b - параметры прямой, описывающей фоновую «подложку» (фиг. 1). После определения параметров найденного пика осуществляют проверку их соответствия критериям достоверности. В качестве критериев достоверности используют следующие параметры пика: минимально допустимую площадь участка аппроксимирующей кривой и ПШПВ. Значение минимально допустимой площади выбирают, исходя из требуемого соотношения точности определения ко времени выполнения одной итерации (при увеличении площади увеличиваются точность определения центроиды и время выполнения итерации). Значение допустимой ПШПВ определяется разрешением используемого детектора в рассматриваемом спектральном диапазоне. Положение найденного пика полного поглощения определяет дальнейшие действия программы.
Если пик находится в том же положении, что и при предыдущем измерении - коэффициент усиления и преобразования остается прежним. Если положение пика меняется, то для следующего измерения коэффициент корректируется. Изменением коэффициента усиления добиваются соответствия положения энергии пика номеру канала, определенному при калибровке. Итерация считается завершенной, если найден пик, удовлетворяющий критериям достоверности, и произведена корректировка коэффициента усиления. Во время выполнения итерации производится чтение спектра, при завершении итерации спектр в буферной области памяти обнуляется и начинается выполнение следующей итерации с коэффициентом усиления, определенным в, предыдущей итерации. Так в последующих итерациях зависимость значения изменения коэффициента усиления от количества каналов, на которое необходимо сместить пик определяется на основании данных, полученных при предыдущих итерациях. Процесс идет все время, пока включено устройство.
Заявляемый способ калибровки и стабилизации прост в техническом выполнении и обеспечивает работу прибора в течение не менее 4 лет с минимальным влиянием на его вероятностные параметры и характеристики чувствительности без дополнительной потребляемой энергии с обеспечением стабильности работы в требуемых климатических условиях. Кроме того, заявляемый способ позволяет осуществить стабилизацию спектрометра при малом количестве импульсов от низкоактивного постоянно присутствующего реперного источника γ-излучения.