СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ И КОРРЕКТИРОВКИ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF STABILISING AND CORRECTING TRANSFER CONSTANT OF SCINTILLATION DETECTOR AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к ядерной физике, конкретнее к способам и устройствам корректировки и стабилизации коэффициента передачи сцинтилляционного детектора ионизирующих излучений, и может найти применение для построения контрольно-измерительных приборов и систем, использующих в качестве первичного преобразования взаимодействие контролируемого объекта с излучением радионуклидных источников для контроля параметров технологических объектов в различных отраслях промышленности.
Нестабильность коэффициента передачи сцинтилляционного детектора обусловлена влиянием таких факторов, как изменение температуры окружающей среды, технических параметров элементов электронных схем, и является одной из основных причин появления погрешности регистрации ионизирующего излучения сцинтилляционным детектором (неорганический кристаллический сцинтиллятор -фотоэлектронный умножитель).
Известен способ "Корректировка и стабилизация при помощи радиоактивного источника" (Л1. В.В.Матвеев, Б.И.Хазанов. Приборы для измерения ионизирующих излучений. - М.: Атомиздат, 1987, стр.624), и устройство "Радиоизотопное устройство для контроля плотности жидкостей, пульп и высоких давлений газов" (Л2. а.с. СССР №1118178, кл. G01N 23/02, опубл. 8 июня 1984 г.). Корректировка и стабилизация
измерительных параметров детектора ионизирующих излучений, основанная на использовании опорного (реперного) источника, заключающаяся в сравнении последовательности импульсов регистрируемого ионизирующего излучения с последовательностью импульсов от контрольного источника. Недостатком этого способа и устройства является то, что для его реализации требуется механическая конструкция и дополнительный (реперный) источник ионизирующего излучения.
Известен способ, в котором для стабилизации используют излучение реперного радиоактивного источника или пик измеряемого излучения (Л3. Цитович А.П. Ядерная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1984, стр.47). С помощью дифференциальных амплитудных анализаторов формируют два окна стабилизации, симметрично расположенные на склонах реперного пика, а затем на схеме сравнения сравнивают скорости счета в окнах стабилизации для получения сигнала рассогласования, который подают на исполнительное устройство (управляемый усилитель или источник питания ФЭУ). Наряду с достоинством такого способа, заключающимся в том, что репер имеет ту же природу, что и анализируемое излучение, и в этом случае стабилизацией охватывается и сам сцинтиллятор, он имеет ряд существенных недостатков. К основным из них можно отнести то, что не всегда в спектре имеется пик, пригодный для использования в системе стабилизации, кроме того три-четыре пороговых устройства для формирования окон стабилизации - это дополнительная аппаратурная погрешность.
Известен также способ "Способ дифференциональной стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по «реперному пику» (Л4. Патент РФ №2225017, G01Т 1/40, БИ №6 от 27.02.04).
В качестве реперного источника используют пик измеряемого излучения, с помощью дифференциальных амплитудных анализаторов формируют два окна стабилизации, симметрично расположенных на склонах реперного пика, а затем сравнивают средние скорости счета в окнах стабилизации для получения сигнала рассогласования и формируют управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта, причем 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. То есть необходим экран из специального материала, а также имеет место дополнительная аппаратурная погрешность при формировании окон стабилизации.
Наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемого устройства является устройство "Устройство стабилизации коэффициента передачи дискретных проворциональных детекторов ионизирующих излучений" (Л5. Патент РФ №2073887, кл. G01T 1/40, опубликован 20 февраля 1997 г.). Устройство содержит детектор ионизирующих излучений, усилитель, устройство выборки-хранения, интегрирующую цепочку, а также управляемый источник питания детектора.
Другие вариации использования приведены в (Л6. Патент РФ на ПМ №23105, Л7. каталог «Berthold technologies», Л8. Каталог «Прибор СРП - 97»).
Задачей предлаемого изобретения является стабилизация эксплуатационных характеристик сцинтилляционного детектора, как то возможность установки коэффициента усиления сигнала регулирования, который обеспечит оптимальный режим стабилизации коэффициента передачи сцинтилляционного детектора; установки необходимого уровня контролируемого спектра импульсов, а также сохранение этих параметров при замене фотоэлектронного умножителя с другим коэффициентом усиления без подстройки. А так же сохранение установленных параметров регистрации ионизирующего излучения при воздействии различных дестабилизирующих факторов, что важно при эксплуатации контрольно- измерительных приборов и системах технологического контроля, использующих сцинтилляционный детектор.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующая предложенный способ стабилизации и корректировки коэффициента передачи сцинтилляционного детектора:
на фиг.2 - графическое изображение временных диаграмм в соответствующих точках устройства, поясняющих способ корректировки измерительных параметров порогового устройства;
на фиг.3 - пример реализации экстраполятора;
на фиг.4 - пример реализации регулятора управляющих сигналов.
На представленных фигурах изображены:
1 - сцинтилляционный детектор,
2 - ФЭУ - фотоэлектронный умножитель,
3 - первый (линейный) усилитель,
4 - экстраполятор,
5 - интегратор,
6 - источник опорного напряжения,
7 - регулятор управляющих сигналов,
8 - управляемый источник питания ФЭУ (фотоэлектронного умножителя),
9 - выход первого усилителя 3,
10 - выход экстраполятора 4,
11 - амплитудный (пиковый) детектор,
12 - формирователь стробирующих (управляющих) импульсов,
13 - устройство выборки с запоминанием,
14 - второй (дифференциальный) усилитель.
y
V - сигнал с усилителя 3,
э
V - сигнал с выхода экстраполятора 4.
Сущность предлагаемого способа стабилизации и корректировки коэффициента передачи сцинтилляционного детектора заключается в том, что получают статистическую последовательность импульсов, преобразуют эту последовательность в импульсы прямоугольной формы с амплитудами, пропорциональными амплитудам регистрируемых импульсов, и шириной, равной интервалу от предыдущего до последующего. статистически распределенных импульсов; последовательность сформированных импульсов интегрируют. Напряжение, полученное при интегрировании, можно считать величиной репрезентативной, т.к. она несет в себе все основные свойства совокупности импульсов регистрируемого спектра (т.е. их спектральное распределение). Это напряжение сравнивают с уставкой источника опорного напряжения, определяющей требуемый уровень регистрируемого спектра, таким образом получают сигнал управления, противодействующий отклонению регулируемой величины (спектрального распределения регистрируемых импульсов) от заданного значения. Путем воздействия сигнала управления на объект управления (управляемый источник питания ФЭУ) корректируют коэффициент передачи сцинтилляционного детектора изменением напряжения питания до соответствия напряжения, полученного при интегрировании последовательности сформированных импульсов, с уставкой опорного напряжения, тем самым сохраняют установленный уровень регистрируемого спектра, изменение которого может быть вызвано различными дестабилизирующими факторами.
Предлагается также устройство стабилизации и корректировки коэффициента передачи, реализующее предложенный способ корректировки измерительных параметров радиоизотопного дискретного порогового регистратора. Новизна которого заключается в том, что в устройство введен экстраполятор, вход которого подключен к выходу первого усилителя, а выходом - на вход интегратора, а также введен регулятор управляющих сигналов, второй (дифференциальный) усилитель, неинвертирующим входом подключенный к выходу интегратора; инвертирующим - к источнику опорного напряжения, а выход подключен к управляющему входу регулируемого источника питания фотоэлектронного умножителя.
y
э
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Поток измеряемого ионизирующего излучения регистрируют и преобразуют сцинтилляционным детектором (неорганический кристаллический сцинтиллятор 1 - фотоэлектронный умножитель 2) и усилителем 3 в последовательность импульсов с амплитудой пропорциональной энергии, потерянной частицей ионизирующего излучения в неорганическом кристаллическом спингилляторе 1 в соответствии с диаграммой 9 (V). Экстраполятором 4 обеспечивают преобразование регистрируемых импульсов в последовательность импульсов с амплитудами, пропорциональными амплитудам регистрируемых импульсов, и шириной, равной интервалу от предыдущего до последующего, статистически распределенных импульсов, в соответствии с диаграммой 10 (V).
Площадь ступенчатой функции сформированных импульсов практически не зависит от частоты следования импульсов, т.е. от изменения интенсивности регистрируемого ионизирующего излучения. Изменение площади вызывается зависимостью изменения спектрального распределения амплитуд регистрируемых импульсов, вызванного влиянием дестабилизирующих факторов (температурный и временной дрейф, колебания напряжения источника питания, старение детектора, изменение светового контакта сцинтилляционного детектора и т.п.).
Преобразование последовательности импульсов в ступенчатую функцию производят следующим образом. Амплитудным (пиковым) детектором 11 измеряют амплитуду зарегистрированного импульса. Напряжение, равное амплитуде импульса, с выхода амплитудного детектора 11 в течение установленного времени запоминают устройством выборки с запоминанием 13, после чего амплитудный детектор сбрасывают управляющим импульсом формирователя стробирующих импульсов 12. Устройством выборки с запоминанием 13 обеспечивают хранение текущего значения напряжения в течение интервала времени Т до подачи управляющего сигнала формирователя стробирующих импульсов 12, которым подготовят устройство выборки с запоминанием 13 к выборке последующего сигнала с амплитудного детектора 11.
и
уст
и
уст
упр
упр
2
уст
1
2
1
и
Интегрируя сигнал, сформированный экстраполятором 4, интегратор 5 обеспечивает сигнал, несущий информацию о свойствах совокупности импульсов регистрируемого спектра и отражающий изменение регулируемого параметра под влиянием дестабилизирующих факторов. Это напряжение V с выхода интегратора 5 сравнивают с уставкой V источника опорного напряжения 6, определяющей требуемый уровень регистрируемого спектра. Регулятором управляющих сигналов 7 вырабатывают сигнал управления, противодействующий отклонению регулируемой величины (спектрального распределения регистрируемых импульсов) от заданного значения, наблюдаемому в данный момент. Напряжение V подают на неинверсный вход второго (дифференциального) усилителя 14, напряжение V источника опорного напряжения 6 - на инверсный вход. По состоянию разбаланса этих напряжений регулятором управляющих сигналов 7 вырабатывают выходной сигнал V, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, V=-RV/R+(R/R+1)V.
упр
выс
уст
уст
и
Сигнал управления V обеспечивает установку значения V управляемого источника питания 8 фотоэлектронного умножителя 2, таким, при котором коэффициент передачи сцинтилляционного детектора обеспечит уровень спектра, заданный напряжением уставки V, источника опорного напряжения 6, так как равновесие системы определяется условием V=V.
Согласно приведенной формуле коэффициент передачи второго дифференциального усилителя
u
2
1
К=-R/R,
1
где R - сопротивление входное в цепи инвертирующей сигнал второго дифференциального усилителя, подключенного к источнику опорного напряжения 6,
3
R - сопротивление входного второго дифференциального усилителя от экстраполятора 4 и интегратора 5,
2
R - сопротивление в цепи обратной связи второго дифференциального усилителя, что приведено на фиг.4.
u
2
1
Таким образом формируется устройство стабилизации и корректировки коэффициента передачи сцинтилляционного детектора, отличающееся тем, что в качестве регулятора управляющих сигналов введен второй (дифференциальный) усилитель с коэффициентом передачи К=-R/R, неинвертирующим входом подключенный к выходу интегратора, инвертирующим - к источнику опорного напряжения, а выход второго усилителя подключен к управляющему входу регулируемого источника питания фотоэлектронного умножителя.
выс
и
упр
выс
уст
и
При замене сцинтилляционного детектора, с другим коэффициентом передачи автоматически установится другое значение V источника питания 8 фотоэлектронного умножителя 2, которое обеспечит заданный уровень спектра. В случае когда температурные и иные нестабильности заставят измениться V напряжение на выходе интегратора 5, выходной сигнал V регулятора управляющих сигналов 7 установит напряжение V управляемого источника питания 8 фотоэлектронного умножителя 2, при котором будет соблюдаться равновесие системы V=V, тем самым скомпенсируют влияние дестабилизирующих факторов.
Таким образом, предложенный способ корректировки и стабилизации коэффициента передачи сцинтилляционного детектора ионизирующих излучений и устройство для его реализации обеспечивают:
а) повышение точности контроля уровня потока ионизирующих частиц;
б) автоматическую установку уровня спектра при замене фотоэлектронного умножителя;
в) компенсацию влияния дестабилизирующих факторов и старения сцинтилляционного детектора корректировкой коэффициента передачи сцинтилляционного детектора ионизирующих излучений.
Предложенный способ корректировки измерительных параметров радиоизотопного дискретного порогового регистратора является новым, явно не следует из уровня техники, имеет изобретательский шаг, так как добавлены новые стадии: получают статистическую последовательность регистрируемых импульсов, которую преобразуют в импульсы прямоугольной формы с амплитудами, пропорциональными амплитудам регистрируемых импульсов, и шириной, равной интервалу от предыдущего до последующего статистически распределенных импульсов; вырабатывают сигнал управления, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, воздействуют им на объект управления (сцинтилляционный детектор), изменяют, корректируют его коэффициент передачи через изменение напряжения питания фотоэлектронного умножителя.
Предложенное устройство - сцинтилляционный детектор - является также новым и имеет изобретательский шаг, так как использованы новые элементы и их связи: экстраполятор нулевого порядка, вход которого подключен к выходу первого усилителя, а выходом - на вход интегратора, а также регулятор управляющих сигналов, один вход которого подключен к источнику опорного напряжения, второй вход - к выходу интегратора, а выходом - на вход регулируемого источника питания фотоэлектронного умножителя.
Предложенный способ и устройство промышленно применимы и осуществимы, позволят использовать сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений в качестве первичного преобразователя взаимодействия контролируемого объекта с излучением радионуклидных источников, для контроля параметров технологических объектов в различных отраслях промышленности, без применения сложных устройств стабилизации их коэффициента усиления, что в свою очередь повысит точность контроля технологических процессов.
Литература
1. В.В.Матвеев, Б.И.Хазанов. Приборы для измерения ионизирующих излучений. Атомиздат, 1987, стр.624.
2. А.с. СССР №1118178, кл. G01N 23/02 опубл. 8 июня 1984 г.
3. Цитович А.П. Ядерная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1984, стр.47.
4. Патент РФ №2225017, G01Т 1/40, БИ №6 от 27.02.04.
5. Патент РФ №2073887, кл. G01T 1/40, опубликован 20 февраля 1997 г.
6. Патент РФ на ПМ №23105, кл. G01N 23/02, опубликован 20.05.2002 г.
7. Каталог «Berthold technologies», «Радиометрическое измерение технологических процессов, измерение уровня» 2005 г. Id. №32528 PR60Rev 01.
8. Каталог «Прибор геологоразведочный сцинтилляционный СРП-97» МПР РФ, 2006 г.