УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно, к измерению ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционного детектора, и может быть использована для измерения временных параметров источников импульсного ионизирующего излучения (α, β, λ, n).
При контроле источников импульсного ионизирующего излучения (ИИИИ) одним из важнейших параметров являются интервалы времени с момента запуска ИИИИ до момента появления или/и окончания излучения, а также амплитудное значение потока частиц излучения. Благодаря высокой чувствительности к ионизирующему излучению и быстродействию контроль временных параметров осуществляется сцинтилляционными детекторами (см. А.И.Веретенников, В.М.Горбачев, Б.А.Предеин. «Методы исследований импульсных излучений», М., Энергоатомиздат, 1985, с.70-76). Однако при эксплуатации сцинтилляционных детекторов наблюдаются изменения характеристик как фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), так и сцинтиллятора, связанные с изменением температуры окружающей среды (температурная нестабильность), старением (длительная
эксплуатация и хранение) и изменением в связи с этим номинального напряжения питания ФЭУ и времени прохождения сигнала в ФЭУ.
Известно устройство для регистрации ионизирующих излучений (см. пат. РФ №2059263, кл. G01T 1/40, 96), содержащее контрольный источник ионизирующего излучения, электромагнитный привод экрана и спектрометр, в состав которого входит сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель, и схема стабилизации, состоящая из двух интеграторов, блока сравнения, ключа, триггера Шмитта, регулирующего элемента, преобразователя напряжения, высоковольтного выпрямителя для питания ФЭУ.
Это устройство обеспечивает стабильную чувствительность сцинтилляционного детектора во всех условиях эксплуатации.
Однако при этом увеличивается фоновый поток излучения, обусловленный излучением контрольного источника, что приводит к увеличению порога обнаружения излучения и сокращению времени наработки прибора. Кроме того, известное устройство не позволяет точно определить временные интервалы между электрическим импульсом от ИИИИ и импульсом излучения, которому соответствует выходной импульс сцинтилляционного детектора.
В устройствах, использующих в цепи обратной связи светодиод в качестве опорного (контрольного) источника, фон излучения не изменяется.
Известен портативный радиометр-спектрометр гамма-излучения (см. пат. РФ, №2158938 RU, кл. G01T 1/40, 2000), содержащий сцинтиллятор, сопряженный с фотоэлектронным умножителем, выход которого через усилитель и аналого-цифровой преобразователь связан с микропроцессорной системой, имеющей выходы на дисплей и ЭВМ. Гамма-канал имеет систему стабилизации, включающую светодиод, сопряженный с фотоэлектронным умножителем и соединенный с импульсным генератором тока, вход которого связан с выходом микропроцессорной системы, каскад усиления, управляемый микропроцессорной системой, и цифровой датчик температуры, выход которого связан с микропроцессорной системой.
При использовании этого устройства не обеспечивается стабилизация чувствительности пары сцинтиллятор-ФЭУ из-за изменения световыхода сцинтиллятора, обусловленного старением сцинтиллятора, т.е. изменением конверсионной эффективности и прозрачности сцинтиллятора при длительной эксплуатации прибора, что особенно важно для приборов, работающих круглосуточно. Кроме того, в данном устройстве импульсы от светодиода проходят
на выход устройства совместно с исследуемым излучением, что недопустимо при измерении одиночных импульсов от ИИИИ. С другой стороны, импульсы ФЭУ, обусловленные его шумами и исследуемым излучением, попадают в канал обратной связи и могут сбить работу системы стабилизации. Кроме того, данный прибор не позволяет точно определить временные интервалы между электрическим импульсом от ИИИИ и выходным импульсом с детектора.
Известно устройство для измерения времени прохождения сигнала в ФЭУ (см. ГОСТ 11612. 14-75), содержащее ФЭУ, выход которого через кабель подключен к первому входу тройника, и искровой источник света, электрический импульс разряда которого через второй кабель подключен ко второму входу тройника, который подключен к входу регистратора (осциллографу). Питание ФЭУ осуществляется от высоковольтного источника питания.
Недостатками данного устройства являются погрешность оценки времени прохождения сигнала в ФЭУ, обусловленная изменением напряжения питания ФЭУ и наличием двух линий связи, длины которых могут быть случайно изменены оператором, а также нестабильность чувствительности прибора при изменении условий эксплуатации, наличие помех в цепи прибора от разряда искрового источника света, взаимное влияние выходных сопротивлений ФЭУ и искрового источника на параметры сигнала с ФЭУ.
Наиболее близким техническим решением является сцинтилляционный детектор (см. пат. США №3254218, кл. 250-71.5, 66), который содержит сцинтиллятор, ФЭУ, выход которого через усилитель подключен к регистратору, и генератор синхронизирующих импульсов, один выход которого подключен к источнику импульсного ионизирующего излучения, а другой - через формирователь и ключ - к управляющему электроду ФЭУ, подключенному к делителю напряжения питания.
Это устройство принято за прототип.
Недостатком известного устройства является погрешность измерения временных интервалов из-за неопределенности времени прохождения сигнала в ФЭУ, погрешность измерения потока излучения из-за нестабильности чувствительности сцинтилляционного детектора при изменении условий эксплуатации в течение всего срока службы.
Предлагаемая полезная модель решает задачи повышения точности оценки временных интервалов от начала электрического импульса ИИИИ до начала
импульса излучения ИИИИ, а также стабилизации чувствительности во всех условиях эксплуатации в течение всего срока службы (при старении и наработке сцинтиллятора и ФЭУ).
Это достигается тем, что устройство для регистрации импульсного ионизирующего излучения, содержащее сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель, выход которого подключен к регистратору, делитель напряжения питания и синхронизатор, один вход которого подключен к источнику импульсного ионизирующего излучения и регистратору, а второй ко второму входу регистратора, дополнительно содержит первый ключ между выходом ФЭУ и регистратором, последовательно подключенные к излучателю и синхронизатору, генератор импульсов тока и светодиод, который оптически связан со сцинтиллятором, и систему стабилизации чувствительности, содержащую второй оптически связанный со сцинтиллятором светодиод, который подключен ко второму генератору импульсов тока, последовательно подключенные к выходу фотоэлектронного умножителя согласующий блок, дискриминатор нижнего уровня, аналого-цифровой преобразователь, первый ключ, управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго генератора тока, первый интегратор, схему сравнения, высоковольтный выпрямитель, второй интегратор, подключенный к делителю напряжения питания, и датчик температуры, подключенный к микропроцессору, к которому подключены входы двух указанных ключей, управляющие входы генераторов тока, вторые входы первого интегратора, схемы сравнения и второго генератора тока и второй выход синхронизатора, а также тем, что оба светодиода излучают свет с длиной волны не более эффективной длины люминесценции сцинтиллятора, микропроцессор компенсирует температурную зависимость светового выхода каждого из импульсных светодиодов, а первый и второй ключи управляются микропроцессором в противофазе при регистрации импульса.
Анализ известных решений не выявил признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного устройства критерию новизны.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показано распространение и преобразование света от светодиода в сцинтилляторе и его сбор на фотокатод фотоэлектронного умножителя, на фиг.3 показаны спектры испускания светодиода (пунктир), люминесценции сцинтиллятора при возбуждении
ионизирующим излучением (точки) и светом светодиода (сплошная), на фиг.4 - температурные зависимости отклика ФЭУ на свет светодиода (штрих-пунктир) и сцинтиллятора (пунктир), а также чувствительности устройства при наличии стабилизации к ионизирующему излучению (сплошная, толстая) и импульсу светодиода (сплошная, тонкая), а также зависимость тока через светодиод для обеспечения температурной стабилизации световыхода светодиода (точки), на фиг.5 показаны амплитудно-временные диаграммы, иллюстрирующие работу ИИИИ (фиг.5а) и предлагаемого устройства: фиг.5б - импульс на управляющем входе второго ключа, фиг.5в - последовательность импульсов первого светодиода, фиг.5г - импульсы на выходе ФЭУ при контроле ИИИИ.
оп
Устройство для регистрации импульсного ионизирующего излучения (фиг.1) содержит: сцинтиллятор 1, боковые поверхности которого покрыты отражателем 2, светодиод 3, который освещает внутренний объем сцинтиллятора 1, через выходное окно которого свет от сцинтиллятора 1 попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 4, выход которого подключен к первому ключу 5 и к системе автоматической стабилизации чувствительности устройства, состоящей из последовательно включенных согласующего устройства 6, дискриминатора нижнего уровня 7, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, второго ключа 9, первого интегратора 10, подключенного к первому входу схемы сравнения 11, выход которой подключен к последовательно соединенным высоковольтному источнику питания 12, второму интегратору 13 и делителю напряжения 14, подключенному к электродам ФЭУ 4. Второй вход схемы сравнения 11 подключен к опорному напряжению U, регулируемому с первого выхода микропроцессора 15, второй выход микропроцессора 15 соединен со светодиодом 3 через генератор тока 16, управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго ключа 9 и третьим выходом микропроцессора 15, первый вход которого соединен с датчиком температуры 17. Четвертый выход микропроцессора 15 соединен с управляющим входом первого ключа 5, через который выход ФЭУ 4 соединен с устройством регистрации 18. Импульсный источник 19 ионизирующего излучения содержит синхронизатор 20, первый выход которого подключен к излучателю 21 и второму входу устройства регистрации 18, а через второй генератор тока 22 соединен со вторым светодиодом 23, который освещает объем сцинтиллятора 1. Второй выход синхронизатора 20 соединен с третьим входом устройства регистрации 18, вторым
входом микропроцессора 15, пятый выход которого соединен с управляющим входом второго генератора тока 22, а третий вход/выход - с интегратором 10.
Устройство работает следующим образом.
г
1
ф
1
ф
При включении напряжения питания начинает работать схема стабилизации чувствительности: микропроцессор 15 открывает второй ключ 9 и синхронно запускает с заданным периодом Т генератор 16 импульсов тока длительностью τ (фиг.5в), импульсы с которого включают светодиод 3, свет от которого с эффективной длиной волны λо проходит через выходное окно сцинтиллятора 1, освещает объем сцинтиллятора 1 и возбуждает люминесценцию сцинтиллятора 1 с характерной длиной волны высвечивания λ, большей чем λ,λ>λ. Возможные пути распространения света показаны на фиг.2, где показано для примера появления двух квантов люминесценции в центрах люминесценции 24 и 25: центр 24 поглотил непосредственно падающий на него свет светодиода 3, а центр 25 поглотил отраженный отражателем 2 свет светодиода 3. Далее свет от люминесценции сцинтиллятора 1, отражаясь от отражателя 2 или непосредственно из центров люминесценции, попадает на фотокатод ФЭУ 4 через выходное окно, не закрытое отражателем 2.
1
св
оп
Далее (см. фиг.1) ФЭУ 4 преобразовывает люминесценцию сцинтиллятора 1, обусловленную светодиодом 3, в электрический сигнал, который через согласующий блок 6 и через дискриминатор нижнего уровня 7, отсекающий шумы ФЭУ 4, поступает на АЦП 8, в котором амплитуда импульса от светодиода 3 преобразуется в цифровой код, который через открытый второй ключ 9 поступает на первый интегратор 10. По окончании импульса света от светодиода 3 второй ключ 9 закрывается, и импульсы с ФЭУ 4 (от излучения) не поступают в первый интегратор 10. В первом интеграторе 10 происходит усреднение амплитуд импульсов от светодиода 3, пришедших за время τ, и определяется среднее значение амплитуды А импульсов, обусловленных светодиодом 3. Это значение передается на первый вход схемы сравнения 11, которая сравнивает его с опорным напряжением U, программно задаваемым микропроцессором 15 по второму входу схемы сравнения 11. Температура внешней среды измеряется датчиком температуры 17, расположенным вблизи ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1, и передается на вход микропроцессора 15 для регулирования амплитуды импульсов тока через светодиоды 3 и 23, соответственно, с генераторов 16 (второй выход микропроцессора 15) и 22 (пятый выход микропроцессора 15).
св
оп
2
св1
оп
св1
оп
оп
Если среднее значение А импульсов от светодиода 3 не равно опорному напряжению U (например, больше опорного напряжения), то схема сравнения 11 выдает разностный сигнал на высоковольтный источник питания 12, который через второй интегратор 13, работающий с постоянной времени τ, соответственно изменяет напряжение (уменьшает напряжение) на делителе напряжения 14, через который осуществляется питание ФЭУ. В результате чего выходной сигнал с ФЭУ 4 от светодиода 3 изменяется таким образом (уменьшается), что разница между новым значением среднего напряжения А и опорным напряжением U уменьшается (то есть образуется обратная отрицательная связь). При наличии расхождения напряжения А и опорного напряжения U от микропроцессора 15 схема сравнения 11 вновь дает сигнал рассогласования до тех пор, пока средняя амплитуда импульсов, обусловленных светодиодом 3, не станет равной заданному опорному напряжению U. Это соответствует установлению номинального напряжения питания ФЭУ 4 и чувствительности к ионизирующему излучению пары, состоящей из ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1.
2
1
2
1
1
1
2
1
2
Постоянная времени τ второго интегратора 13 выбирается значительно больше, чем постоянная времени τ в первом интеграторе, т.е. τ≫τ, чтобы обеспечить апериодическое приближение напряжения питания ФЭУ 4 к номинальному значению. Постоянная времени τ, зависит от частоты импульсов светодиода 3 и энергетического разрешения ФЭУ 4. Для уменьшения потери импульсов из-за просчетов частота импульсов светодиода 3 обычно не превышает частоту фоновых импульсов пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1. Этому способствует также введенный дискриминатор нижнего уровня 7. Для сцинтиллятора средних размеров частота фоновых импульсов составляет около 100 имп/с. Учитывая, что устройство предназначено для регистрации импульсного излучения, амплитуду импульсов от светодиода 3 увеличивают до уровня, соответствующего потоку излучения от излучателя 19, поэтому можно получить энергетическое разрешение ФЭУ 4 около δе=1%. Но при этом приходится снижать частоту импульсов от светодиода 3 до 1 имп/с. Для обеспечения уровня стабилизации не хуже 0.5-1%, достаточно усреднить не менее 3-4 импульсов. В этом случае время усреднения первого интегратора 10 составит около 3 с, т.е. τ=3 с, тогда постоянная времени второго интегратора 13 составит τ=10τ, т.е τ=30 с, что легко обеспечивается и соответствует минимальному времени подачи напряжения питания на ФЭУ 4 для его стабильной работы.
1
ф
0
Для того, чтобы чувствительность пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 не изменялась при изменении характеристик сцинтиллятора 3, таких как прозрачность и конверсионная эффективность, светодиод 3 освещает весь объем сцинтиллятора 1 с эффективной длиной волны λо, как показано на фиг.3. В этом случае, свет от светодиода 3, распространяясь по объему сцинтиллятора 1, поглощается центрами люминесценции 24, 25, которые, возвращаясь в основное состояние, излучают свет с длиной волны λ>λо, который, отражаясь от стенок сцинтиллятора 1 и отражателя 2, собирается на фотокатоде ФЭУ 4, что обеспечивает однородное освещение фотокатода ФЭУ 4, идентичное освещению ФЭУ 4 при регистрации сцинтилляций от ионизирующего излучения. Для повышения эффективности преобразования свечения светодиода 3 в люминесценцию сцинтиллятора 1 между сцинтиллятором 1 и светодиодом 3 может быть установлен синий светофильтр 26, который смещает спектр свечения светодиода 3 в синюю область, λ<λ. В результате спектр высвечивания сцинтиллятора еще больше приближается к спектру люминесценции от ионизирующего излучения (см. фиг.3). Таким образом, вспышка света от светодиода 3 полностью имитирует возбуждение сцинтиллятора 1 ионизирующим излучением, падающим на него с внешней поверхности, как по объему возбуждения, так и по длине волны света (спектру люминесценции), освещающего фотокатод ФЭУ 4 и, следовательно, обеспечивается стабилизация чувствительности пары ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1 при изменении конверсионной эффективности и прозрачности сцинтиллятора 1, что не обеспечивается прототипом. Аналогичным образом регистрируется свет от второго светодиода 23.
св ном
сд
сд
При изменении температуры внешней среды термодатчик 17 выдает сигнал на вход микропроцессора 15, который изменяет токи через светодиоды 3 и 23 так, чтобы чувствительность пары, ФЭУ 4 и сцинтиллятор 1, установилась равной номинальному значению А при регистрации как импульсов светодиодов 3 и 23, так и ионизирующего излучения, в результате чего схема сравнения 11 выдает сигнал рассогласования, и цикл установления номинальной чувствительности повторяется по указанному выше циклу при включении питания. Зависимость тока через светодиод 3 от температуры 1=ƒ(T) измеряется при изготовлении устройства путем построения графической (табулированной) зависимости при постоянном отношении отклика пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 на ионизирующее излучение заданной энергии (например, на гамма-квант с энергией 662 кэВ) к отклику на импульс света от светодиода 3. Табулированные значения 1 и Т (функциональная зависимость
сд
сд
1=ƒ(Т)) вводятся в энергетически независимую память микропроцессора 15 и используются им в дальнейшем при работе устройства в качестве узловых точек, между которыми микропроцессор рассчитывает интерполированные значения 1(Т).
Постоянство отношения отклика на ионизирующее излучение и на импульс светодиода 3 может быть обеспечено для трех режимов коррекции:
а) термостабилизация световыхода светодиода 3,
б) термостабилизация световыхода пары светодиод 3-сцинтиллятор 1,
в) термостабилизация суммарного отклика с трех элементов: светодиод 3-сцинтиллятор 1-ФЭУ.
Первый вариант более предпочтителен благодаря более простой и предсказуемой зависимости световыхода светодиода 3 от температуры - обычно линейная с градиентом минус (0.1-1) %/°С. Кроме того, данный вариант облегчает достижение постоянства световыхода у второго светодиода 23. В этом случае температурные изменения характеристик ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1 отрабатываются системой автоматической стабилизации чувствительности по опорному импульсу светодиода 3, а ток через светодиод 3, поддерживающий постоянство его световыхода, может быть определен по формуле (показан на фиг.4 пунктиром):
T
0
0
где I, I - ток через диод при температуре Т и начальной Т,
T
o
0
J, J - световыход светодиода 3 при температуре Т и начальной Т,
k - температурный коэффициент (градиент).
На фиг.4 показаны температурные зависимости отклика ФЭУ 4 на свет светодиода 3 (штрих-пунктир) и сцинтиллятора 1 (пунктир), а также чувствительности пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 после введения стабилизации к свету светодиода 3 (сплошная тонкая) и ионизирующему излучению (сплошная толстая), а также тока через светодиод 3 (точки). Как видно из фиг.4, чувствительность пары ФЭУ 4 и сцинтиллятор 1 к ионизирующему изучению (измеренная от реперного источника) при стабилизации не зависит от температуры, при этом не изменяется и амплитуда импульса от светодиода 3, что говорит о действии цепи стабилизации с учетом датчика температуры 17. Без датчика температуры 17 амплитуда импульса от светодиода 3 не изменялась бы, но изменялась бы амплитуда от реперного ионизирующего излучения.
1
1
После установления номинальной чувствительности предлагаемое устройство ожидает прихода двух импульсов синхронизации от ИИИИ 19. Первый импульс А (фиг.5а) со второго выхода синхронизатора 20 переводит устройство регистрации 18 и предлагаемое устройство в режим готовности регистрации импульса излучения, для чего микропроцессор 15 переводит первый ключ 5 в открытое состояние на время t (см. фиг.5б) для прохождения выходных импульсов с ФЭУ 4 на устройство регистрации 18, при этом отключает генератор тока 16 и закрывает второй ключ 9, запомнив и поддерживая последнее значение напряжения на выходе первого интегратора 10, в результате чего прекращается последовательность импульсов с генератора 16 (при наложении импульса А на импульс светодиода 3, длительность последнего (зачерненного) сокращается до момента прихода импульса А, (см. фиг.5в), и разрывается обратная связь в схеме стабилизации, но на ФЭУ 4 сохраняется последнее значение напряжения питания в течение всего интервала времени t, при этом импульсы от светодиода 3 не проходят через ФЭУ 4 и на устройство регистрации 18.
2
ф
Через время t после импульса А синхронизатор 20 с первого выхода подает второй импульс Б для запуска излучателя 21 (см. фиг.5а), который также проходит через второй генератор тока 22 на второй светодиод 23, световыход которого термостабилизируется микропроцессором 15 в соответствии с сигналом от датчика температуры 17 по управляющему входу генератора тока 22, аналогично термостабилизации светодиода 3. Импульс от светодиода 23 с интенсивностью, пропорциональной амплитуде импульса со второго выхода синхронизатора 20, освещает весь объем сцинтиллятора 1, в результате происходит фотолюминесценция сцинтиллятора 1, которая преобразуется ФЭУ 4 в электрический импульс, пропорциональный амплитуде импульса Б от синхронизатора 20, который проходит через открытый первый ключ 5 на вход устройства регистрации 18, но с задержкой τ (см. фиг.5в) относительно импульса Б, равной времени прохождения сигнала в ФЭУ 4.
н
ф
1
Через время t после импульса Б излучатель 21 излучает импульс излучения ИИ (см. фиг.5а), который преобразуется сцинтиллятором 1 и ФЭУ 4 в электрический импульс, задержанный относительно импульса ИИ на время τ прохождения сигнала в ФЭУ 4. По окончании всех процессов в излучателе 21 (интервал t) микропроцессор 15 включает цепь обратной связи: интегратор 10
ф
разблокируется, второй ключ 9 открывается и запускается первый генератор импульсов тока 16, который включает светодиод 3, импульс с которого сцинтиллятором 1 и ФЭУ 4 преобразуется в электрический сигнал, который проходит, как контрольный импульс В (см. фиг.5г), на устройство регистрации 18 через еще открытый первый ключ 5, так же с задержкой τ. По окончании импульса В микропроцессор 15 закрывает первый ключ 5, и схема стабилизации устанавливает/поддерживает номинальную чувствительность устройства по описанному выше циклу (см. фиг.5в). Таким образом, на регистраторе 18 зарегистрированы три импульса (см. фиг.5г), соответствующие электрическому импульсу Б синхронизатора 20 (от второго светодиода 23), импульсу ионизирующего излучения ИИ излучателя 19 и контрольному импульсу В сигнала обратной связи от светодиода 3.
ф
н
3
1
2
н
Все эти импульсы задержаны на выходе ФЭУ 4 на один и тот же интервал τ, равный времени прохождения сигнала в ФЭУ 4, поэтому погрешность измерения интервала времени t, обусловленная ФЭУ 4, равна нулю. Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является то, что непосредственно перед работой ИИИИ 19 и сразу после срабатываний излучателя 21 обеспечен двойной контроль чувствительности пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 по амплитуде выходного сигнала ФЭУ 4 от импульса Б синхронизатора 20 (светодиод 23) и от импульса В светодиода 3 в цепи обратной связи. Дополнительно, по известному значению интервала времени t=t-t можно контролировать работу предлагаемого устройства и устройства регистрации 18 при оценке временного интервала t. Передача информации об интервалах времени по одному кабелю, электрическая развязка цепей регистрации и излучения повышают надежность контроля и помехозащищенность тракта регистрации.
При проведении технического обслуживания проверяется положение пика от реперной линии ионизирующего излучения в режиме регистрации ионизирующего излучения и положение пика от светодиода 3 в режиме контроля, в котором микропроцессор 15 устанавливает первый ключ 5 в открытое состояние после окончания процесса стабилизации одновременно с открыванием второго ключа 9.