Способ гамма-спектрометрии и гамма-спектрометр

 

i Использование: в различных областях народного хозяйства, например горной промьи ленности, металлургии, геологии. Сущнос|ть изобретения: для уменьшения просчетов сигналов при повышенной интеграл|ьной загрузке спектрометрического тра|ста и упрощения аппаратуры преобразоамплитуды импульсов в п-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в заданных энергетических интервалах полнопр гамма-спектра путем их предварительной амплитудной селекции, а затем после передачи по линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при этом энергию и спектральные интенсивности гаммаквантов определяют путем амплитудной селекции повторно преобразованного кусочно-непрерывного спектра аналоговых сигналов. В части устройства: в регистрирующий блок, состоящий из последовательно включенных детектора гамма-квантов с блоком питания высокого напряжения, линейного усилителя, амплитудного детектора или интегратора, буферного ОЗУ и п-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходного каскада, подключенного к линии связи, блока анализа и обработки, введены преобразователь параллельного кода в-последовательный, оперативное запоминающее устройство, четыре дифференциальных канала и логический элемент ИЛИ, а блок анализа и обработки включает в себя последовательно соединенные линейный усилитель сигналов, блок преобразования последовательного кода в параллельный, цифроаналоговый преобразователь и п дифференциальных каналов, например 4, а также одновибратор и систему автоматической регулировки коэффициента усиления. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. ел с оо О CJ 00 о о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 Т 1/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

О (л)

0 (! ! ъ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4885124/25 (22:: 26.11.90 (46; 23.03,93. Бюл, М 11 (71 Всесоюзный научно-исследовательский и . роектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (72 Е, С. Кучурин и В. Д. Гельд (56 Мамлеев Т, С, и др, Цифровой скважинны гамма-спектрометр, ВИНИТИ, Деп.

42 7 — В89. М., 1989, с. 12.

Кадисова Е. М, и др. Скважинный гамма-спектрометр с германиевым детектором.

Сб.; Геофиз. аппаратура, вып. 81. — Л.: Недра, 1984, с, 82-88. (54) СПОСОБ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИИ И

rAljlMA-СПЕКТРОМ ЕТР (57), Использование: в различных областях нас(одногохозяйства, например горной промышленности, металлургии, геологии. Сущность изобретения; для уменьшения просчетов сигналов при повышенной интегральной загрузке спектрометрического тракта и упрощения аппаратуры преобразованИе амплитуды импульсов в п-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в зацанных энергетических интервалах полного гамма-спектра путем их предварительной амплитудной селекции, а затем после

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам изучения спектрального состава гамма-излучения различной физической природы и может быть использовано в горной промышленности, металлургии, геологии, в частности, при геофизических исследованиях в скважинах.. Ы 1803896 А1 передачи по линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при этом энергию и спектральные интенсивности гаммаквантов определяют путем амплитудной селекции повторно преобразованного кусочно-непрерывного спектра аналоговых сигналов. В части устройства: в регис-.рирующий блок, состоящий из последовательно включенных детектора гамма-квантов с блоком питания высокого напряжения, линейного усилителя, амплитудного детектора или интегратора, буферного ОЗУ и п-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходного каскада, подключенного к линии связи, блока анализа и обработки, введены преобразователь параллельного кода в последовательный, оперативное запоминающее устройство, четыре дифференциальных канала и логический элемент ИЛИ, а блок анализа и обработки включает в себя последовательно соединенные линейный усилитель сигналов, блок преобразования последовательного кода в параллельный, цифроаналоговый преобразователь и и дифференциальных каналов, например 4, а также одновибратор и систему автоматической регулировки коэффициента усиления. 2 с,п. ф-лы, 2 ил, Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения просчетов сигналов при повышенной интегральной загрузке спектрометрического тракта.

Сущность способа спектрометрии заключается в следующем. Световые сцинтилляции гамма-квантов преобразуют в

1803896 электрические импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии исходного гаммакванта, затем преобразуют спектр амплитуд электрических импульсов в цифровой иразрядный код, Для повышения точности измерений преобразование амплитуды импульсов в п-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в заданных энергетических интервалах полного гамма-спектра путем их предварительной амплитудной селекции. Затем после передачи по протяженной линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при этом энергию и спектральные интенсивности гамма-квантов определяют путем амплитудной селекции повторно преобразованного кусочно-непрерывного спектра аналоговых сигналов.

Для практической реализации способа предлагается гамма-спектрометр, содержащий регистрирующую часть и блок анализа и обработки, соединенных линией связи, Регистрирующий блок состоит из детектора гамма-квантов, вход которого подключен к первой линии связи, а выход — через последовательно соединенный первый линейный усилитель v. амплитудный детектор подключен ко входу буферного запоминающего устройства, выход которого соединен со входом и-разрядного цифрового преобразователя, а также выходного каскада, подключенного к первой линии связи, От известных гамма-спектрометров и редлагаемый гамма-спектрометр отличается тем, что в регистрирующий блок введены преобразователь параллельного кода в последовательный, оперативное запоминающее устройство, блок дифференциальных каналов и логический 4-входовый элемент

ИЛИ. Информационные выходы аналогоцифрового преобразователя подключены через оперативное запоминающее устройство по входам преобразователя параллельного кода в последовательный, выходом связанного со входом выходного каскада, Входы всех компараторов подсоединены к выходу буферного запоминающего устройства, а выходы первого и второго компараторов каждого дифференциального канала подсоединены соответственно к первого и второму входам схемы антисовпадений, выход каждой из которых соответственно через 4-входовый логический элемент ИЛИ подключен к управляющему входу аналогоцифрового преобразователя.

Блок анализа и обработки гамма-спектрометра содержит второй линейный усилитель, выход которого подключен ко входу

55 преобразователя последовательного кода в параллельный, информационные входы которого подсоединены ко входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП), К стробирующему входу ЦАП через одновибратор подключен выход "Готовность" преобразователя последовательного кода в параллельный, выход цифроаналогового преобразователя через первый — третий дифференциальный каналы связан с первым-третьим входами блока обработки информации, через четвертый дифференциальный канал — с первым входом блока автоматической регулировки коэффициента усиления, а через пятый дифференциальный канал — со вторым входом упомянутого блока автоматической регулировки коэффициента усиления, выход которого соединен со второй линией связи. Выход блока обработки информации подключен к регистратору

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ; на фиг. 2 — функциональная схема дифференциального канала, Регистрирующий блок включает в себя последовательно включенные детектор гамма-квантов с блоком питания высокого напряжения 1, линейный усилитель 2, амплитудный детектор или интегратор 3, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

5, оперативное запоминающее устройство

6, преобразователь параллельного кода в последовательный 7, выходной каскад 8, а также блок дифференциальных каналов 9 и

4-входовый элемент ИЛИ 10. Вход блока дифференциальных каналов 9 подключен к выходу буферного ЗУ, а выход через логический элемент ИЛИ 10 к управляющему входу

АЦП 5.

Блок анализа и обработки содержит последовательно включенный входной усилитель 11, преобразователь последовательного кода в параллельный 12, цифроаналоговый преобразователь 13, пять дифференциальных каналов 14, 15, 16, 17 и

18, выходы которых подсоединены к блоку обработки 19, а также систему автоматического регулирования коэффициента усиления 20 и одновибратор 21. Выход первой линии связи 22 подключен к блоку питания высокого напряжения детектора гаммаквантов 1. Одновибратор 21 подключен к стробирующему входу ЦАП 13 и входом к выходу "Готовность" блока преобразования последовательного кода в параллельный 12.

Дифференциальные каналы, которых в регистрирующей части содержится четыре (блок 7), а в блоке анализа — пять (14, 15, 16, 1803896

55

17, 18), выполнены по идентичной схеме, приведенной на рис, 2.

Схема дифференциального канала состоит из компаратора верхнего 23 и нижнего 24 уровней, выходы которых подключены к двум соответствующим входам схемы антисовпадений 25. Выходы схемы антисовпадений регистрирующей части 25 через четырех входовый логический элемент ИЛИ

10 подключены к управляющему входу АЦП

5, а входы всех компараторов подключены к выходу буферного запоминающего устройства 4, Устройство работает следующим образом.

Поступающий с выхода детектора гамма-квантов 1 электрический импульс усиливается линейным усилителем 2 и далее поступает на амплитудный детектор 3, на выходе которой формируется сигнал с плоской вершиной и амплитудой пропорциональной энергии исходного гамма-кванта, Длительность сигнала составляет 3 — 5 мксек, Далее этот сигнал поступает в буферное запоминающее устройство 4, представляющее собой такой же амплитудный детектор. На выходе последнего формируЕтся идентичный по амплитуде импульс, но с более высокой длительностью (20-40 мксек), предназначенный для последующего кодирования в АЦП и амплитудной селекЦии в блоке дифференциальных каналов 9.

Применение амплитудного детектора в сочетании с буферным ЗУ позволяет разравнять статистически распределенные во времени сигналы и тем самым уменьшить просчеты при передаче по протяженным линиям связи еще примерно вдвое. С выхода буферного ЗУ 4 сигналы одновременно поступают на вход АЦП 5 и блока дифференциальных каналов 9. Преобразование аналоговых сигналов АЦП в цифровой иразрядный код осуществляется по приходу разрешающего импульса с выхода логического элемента ИЛИ 10. Это возможно только в том случае, если амплитуда сигнала будет находиться между нижним и верхним у зовнями одной из пар (в данном устройстве предусмотрено четыре пары) компараторов четырех дифференциальных каналов.

Таким образом достигается избирательное цифровое кодирование информационных сИгналов принадлежащих заданным энергЕтическим областям исходного гаммас 1ектра. С выхода АЦП 5 цифровой код записывается в ОЗУ 6, благодаря чему осуш ествляется вторичное разравнивание сТатистики сигналов, плотностью исключающее дальнейшие просчеты при передаче информации по линии связи. Извлечение

45 цифровых кодов из ОЗУ достигается по сигналу "Готовность" с выхода "Конец преобразования" блока преобразования параллельного кода в последовательной, поступающего на вход считывания ОЗУ.

Считанное на ОЗУ 6 "Слово" преобразуется в последовательный код общей длительностью 200 — 250 мкс. (при 8-ми разрядном кодировании), усиливается по мощности выходным каскадом 8 и поступает в линию связи 22. При длительности цифрового кода равной 200 мксек устройство позволяет передать без просчетов до 5000 W с, что соответствует примерно 20 — 40 тыс. W с по полному гамма-спектру. Приходящие по линии связи 22 цифровые коды восстанавливаются по уровню с помощью линейного усилителя 11, а затем поступают на вход блока преобразования последовательного кода в параллельный 12 и далее на входы цифроаналогового преобразователя (ЦАП)

13. Выход "Готовность" блока преобразователя 12 подключен к стробирующему входу

ЦАП через одновибратор 20, чем обеспечивается конец преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. Длительность выходного аналогового сигнала соответственно определяется длительностью импульса однови брата ра, С выхода ЦАП аналоговые сигналы подаются на входы идентичных дифференциальных каналов 14, 15, 16, 17, 18, с помощью которых осуществляется амплитудная селекция переданного и повторно преобразованного кусочно-непрерывного гамма-спектра, Далее с выходов первых 3 дифференциальных каналов информационные потоки поступают в блок обработки 21, который может быть выполненным в виде счетно-решающего устройства, реализующего требуемый алгоритм расчета по жесткой логике или вычислитель другого типа, В частности, при спектрометрии естественного гамма-излучения реализуется расчет содержаний калия, урана и тория на основе аппаратурного решения системах 3 уравнений следующего вида:

Ц(К) = а1101 + а12М2 + 313N3

g(U) = а21Л11 + а22 ч2 + а23 ч3

g(Th) = азА1+ а32И2 + аззйз где g(K), g(U), g(Th) — соответственно калия, урана, тория;

N1, М2, N3 — скорости счета по каналу калия (1,46 МэВ), урана (1,78 МэВ), тория (2,62 МэВ); ал — постоянные спектральные коэффициенты, определяемые в градуированных моделях руд, 1803896

30

40

55

Выходы четвертого и пятого дифференциальных каналов 17, 18 подключены к входу системы автоматического регулирования коэффициента усиления 20, работающей, например, на принципе сравнения скоростей счета в двух смежных энергетических областях, выбираемых симметрично на склонах фотопика реперного источника.

Сигнал разбаланса преобразовывается в постоянное напряжение, которое по линии связи поступает в блок питания высокого напряжения детектора гамма-квантов, изменяя его в ту или другую сторону. Тем самым обеспечивается постоянный уровень сигнала, требующийся для стабильной работы всего устройства и особенно дифференциальных каналов регистрирующей части, Опорное напряжение ЦАП 13 и дифференциальных каналов 14-18 задается от одного стабилизированного источника питания. Благодаря этому динамический диапазон амплитуд сигналов на выходе ЦАП точно соответствует диапазону уровней дифференциальных каналов 14 — 18, Это исключает использование дополнительного усилителя на выходе ЦАП, неизбежно дестабилизирующего работу устройства.

Таким r:áðàçoì, предложенные способ гамма-спектрометрии и устройства для его реализации позволяют существенно (в 5 — 10 раз) уменьшить просчеты информационных сигналов и соответственно повысить точность измерения спектральных потоков не менее чем в 2 — 3 раза. Повышение точности по сравнению с аналоговой передачей информации достигается за счет улучшения энергетического разрешения спектрометрического тракта, благодаря исключению влияния кабеля.

Формула изобретения

1. Способ гамма-спектрометрии, заключающийся в преобразовании световых сцинтилляций гамма-квантов в электрические импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии исходного гамма-кванта, последующем преобразовании спектра амплитуд электрических импульсов в цифровой п-разрядный код, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения просчетов сигналов при повышенной интегральной загрузке спектрометрического тракта, преобразование амплитуды импульсов в п-разрядный цифровой код осуществляют избирательно в заданных энергетических интервалах полного гамма-спектра путем их предварительной амплитудной селекции, затем после передачи по протяженной линии связи осуществляют обратное преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы, при этом энергию и спектральные интенсив. ности гамма-квантов определяют путем амплитудной селекции повторно преобра зованного кусочно-непрерывного спектр; аналоговых сигналов.

2. Гамма-спектрометр, содержащий ре гистрирующий блок, состоящий из детектора гамма-квантов, выход которого через последовательно соединенные первый линейный усилитель и амплитудный детектор подключен ко входу буферного запоминающего устройства, выход которого соединен со входом и-разрядного аналого-цифрового преобразователя, выходной каскад, подключенный к первой линии связи, блок анализа и обработки, при этом вход детектора подключен к первой линии связи, о т л и ч аю шийся тем, что в регистрирующий блок введены преобразователь параллельного кода в последовательный, оперативное запоминающее устройство, блок дифференциальных каналов (каждый из которых содержит первый и второй компараторы, соответственно верхнего и нижнего уровней и схему антисовпадений), логический четырехвходовый элемент ИЛ И, при этом информационные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены через оперативное запоминающее устройство ко входам преобразователя параллельного кода в последовательный, выходом связанного с входом выходного каскада, входы всех компараторов подсоединены к выходу буферного запоминающего устройства, а выходы первого и второго компараторов каждого дифференциального канала подсоединены соответственно к первому и второму входам схемы антисовпадений, выход каждой из которых соответственно через четырехвходовый логический элемент ИЛИ подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, блок анализа и обработки содержит второй линейный усилитель выход которого подключен к входу преобразователя последовател ьного кода в параллельный, информационные входы которого подсоединены к входам цифроаналогового преобразователя, к стробирующему входу. которого через одновибратор подключен выход "Готовность" преобразователя последовательного кода в параллельный, выход цифроаналогового преобразователя через первый-третий дифференциальные каналы связан с первым-третьим входами блока обработки информации, через четвертый дифференциальный канал — с первым входом блока автоматической регулировки коэффициента усиления, а через пятый дифференциальный канал — с вторым входом упомянутого блока автоматической регули1803896

ТОРЧ

Жиг. 1

Составитель Е.Шарипо

Техред М.Моргентал Корректор С Юско

Редактор Т.Купрякова

Заказ 1056 Тираж Подписное

ВНИИП

ИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ровки коэффициента усиления, выход кото- чем выход блока обработки информации рого соединен с второй линией связи, при- подключен к регистратору.