Альфа-спектрометр с высоким временным разрешением

 

Использование: в атомной промышленности, а именно для измерения ядерных излучений. Сущность изобретения: альфа-спектрометр включает полупроводниковый детектор, зарядочувствительный предусилитель, формирующий усилитель, выход которого соединен с линейным входом амплитудно-цифрового преобразователя, дополнительно содержит узел дискриминации сигналов по форме, при этом выход зарядочувствительного предусилителя соединен со входом узла дискриминации сигналов по форме, выход которого соединен со входом управления аналого-цифрового преобразователя. Узел дискриминации сигналов по форме содержит дифференцирующий усилитель, восстановитель постоянной составляющей, пороговую схему, два формирователя по длительности и ядра триггера. Технический результат: повышение чувствительности, точности и экспрессности измерений. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для измерения следовых концентраций примесей в радиоактивных материалах, например для измерения концентрации примеси тория-228 в чистом уране, полученном при переработке высокообогащенного урана.

Известен альфа-спектрометр разработки научно-производственного предприятия "ДОЗА" [1], а также полупроводниковый альфа-спектрометр [2], являющиеся аналогами заявляемого решения.

Недостатком спектрометра является искажение измеренных спектров альфа-излучения за счет регистрации сигналов наложения, образованных двумя сигналами с полупроводникового детектора, у которого фронт второго сигнала накладывается на фронт первого сигнала, в результате чего ухудшается точность измерения. Сигналы наложения образуют непрерывное распределение в области регистрации пика, соответствующего интересующему нуклиду, что приводит к частичному или полному маскированию пика и увеличивает нижний предел измерения активности нуклида.

Известен также спектрометр, содержащий последовательно соединенные детектор, предусилитель, основной усилитель с устройством формирования оптимального отношения сигнал/шум и экспандер [3]. Данный спектрометр не имеет возможности измерения слабо интенсивной линии на фоне сильных линий.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату по совокупности существенных признаков является альфа-спектрометр того же назначения, включающий в себя полупроводниковый детектор, зарядочувствительный предусилитель, формирующий усилитель, выход которого соединен с линейным входом амплитудно-цифрового преобразователя, выпускаемый в настоящее время фирмой "Аспект" [4] , взятый авторами за прототип заявляемого решения. Для уменьшения эффекта наложения сигналов уменьшены постоянные времени формирующих цепей спектрометра до 0,5 мкс. Такое техническое решение несколько уменьшает распределение справа от пика.

Недостатками данной конструкции альфа-спектрометра являются: - невозможность обеспечить измерение слабоинтенсивной линии на фоне сильных линий; - невозможность увеличивать входную загрузку, так как это приводит к возникновению наложений и увеличению непрерывного распределения справа от пика; - необходимость обеспечивать небольшую входную загрузку, чтобы обнаружить малую концентрацию радионуклида на фоне сильной альфа-линии. Измерение малых активностей требует значительного времени, для того чтобы набрать необходимую статистику.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности измерения малых концентраций радионуклидов на фоне сильной альфа-линии.

Технический результат выражается в повышении чувствительности, точности и экспрессности измерений.

Поставленная задача решается следующим образом.

В известный альфа-спектрометр дополнительно введены узел дискриминации сигналов по форме, причем вход узла дискриминации сигналов по форме соединен с выходом зарядочувствительного предусилителя, а выход этого узла соединен со входом управления амплитудно-цифрового преобразователя. Вход дискриминатора сигналов по форме через последовательно включенные дифференцирующую цепь и дифференцирующий усилитель, восстановитель постоянной составляющей, пороговую схему и первый формирователь с повторным запуском подключен к соединенным R- и D-входам первого триггера, выход которого соединен с входом управления амплитудно-цифрового преобразователя. Выход пороговой схемы соединен также с C-входом первого триггера. Выход пороговой схемы подключен также, через последовательно соединенные второй формирователь с повторным запуском и второй триггер, к S-входу первого триггера. Выход пороговой схемы подключен к соединенным R- и D-входам второго триггера.

При исследовании отличительных признаков описываемого альфа-спектрометра не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся использования традиционной конструкции альфа-спектрометра при реализации процесса измерения малых концентраций радионуклида на фоне сильной альфа-линии, путем введения узла дискриминации сигналов по форме, которые позволяют осуществить повышение чувствительности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, которые изложены в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "новизна".

Заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. Поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного устройства преобразований на достижение технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении их вида.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "изобретательский уровень".

Использование в составе альфа-спектрометра узла дискриминации сигналов по форме для целей повышения точности и экспрессности измерений патентными исследованиями не установлено.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что происходит регистрация в спектре альфа-излучения только не искаженных наложениями сигналов на выходе формирующего усилителя.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого спектрометра, где: 1 - полупроводниковый детектор, 2 - зарядочувствительный предусилитель, 3 - формирующий усилитель, 4 - дискриминатор сигналов по форме, 5 - амплитудно-цифровой преобразователь, 6 - дифференцирующая RC-цепь и дифференцирующий усилитель,
7 - восстановитель постоянной составляющей,
8 - пороговая схема,
9 - формирователь 1 с повторным запуском,
10 - триггер 1,
11 - формирователь 2 с повторным запуском,
12 - триггер 2.

На фиг. 2 приведены диаграммы, поясняющие его работу. Номера диаграмм соответствуют номерам элементов, на выходах которых они наблюдаются.

Полупроводниковый детектор 1 через зарядочувствительный предусилитель 2 соединен с формирующим усилителем 3, выход которого подключен к линейному входу амплитудно-цифрового преобразователя 5. Выход зарядочувствительного предусилителя 2 подключен также к входу дискриминатора сигнала по форме 4. Вход дискриминатора сигналов по форме через последовательно включенные дифференцирующую цепь и дифференцирующий усилитель 6, восстановитель постоянной составляющей 7, пороговую схему 8 и первый формирователь с повторным запуском 9 подключен к соединенным R- и D-входам первого триггера 10, выход которого соединен с входом управления амплитудно-цифрового преобразователя. Выход пороговой схемы 8 соединен также с C-входом первого триггера 10. Выход пороговой схемы 8 подключен также, через последовательно соединенные второй формирователь с повторным запуском 11 и второй триггер 12, к S-входу первого триггера 10. Выход пороговой схемы 8 подключен к соединенным R- и D-входам второго триггера 12.

Альфа-спектрометр с высоким временным разрешением работает следующим образом. Сигнал с полупроводникового детектора 1 поступает на вход зарядочувствительного предусилителя 2, обеспечивающего полный сбор заряда детектора. Формирующий усилитель 3 усиливает этот сигнал и формирует его таким образом, чтобы получить высокое энергетическое разрешение при минимальной длительности сигнала. С выхода формирующего усилителя 3 сигнал поступает на амплитудно-цифровой преобразователь 5, который преобразует величину амплитуды сигнала в цифровой код. С выхода зарядочувствительного предусилителя 2 одновременно подаются сигналы на дискриминатор сигналов по форме 4, который определяет случаи, когда с детектора приходят сигналы, сдвинутые во времени на величину меньшую, чем длительность сигнала на выходе формирующего усилителя 3. При этом формируется сигнал управления, который запрещает преобразование одного или обоих сигналов в амплитудно-цифровом преобразователе 5, так как их амплитуда искажена.

Дискриминатор сигналов по форме работает следующим образом.

Сигнал с зарядочувствительного предусилителя 2 после укорачивания путем дифференцирования с помощью RC-цепи усиливается дифференцирующим усилителем 6 на основе микросхем дифференциальных линейных приемников и проходит восстановитель постоянной составляющей 7. Далее сформированный и укороченный сигнал поступает на вход пороговой схемы 8, в которой используется метод постоянного порога. При превышении заранее установленного порога, на выходе пороговой схемы устанавливается напряжение логической единицы. По этому перепаду запускается первый формирователь с повторным запуском 9, формирующий сигнал, длительность которого равна длительности полезной части сигнала на выходе формирующего усилителя 3. Если во время обработки временного интервала первым формирователем с повторным запуском 9 на его входе снова появится сигнал, то на его выходе происходит уширение сигнала на время обработки. С выхода первого формирователя 9 логический сигнал поступает на вход D и R первого триггера 10, на тактирующий вход которого поступает сигнал с пороговой схемы 8. При этом, если на вход пороговой схемы 8 поступает одиночный сигнал (фиг. 2, А), то состояние первого триггера 10 не изменится. Если же на вход пороговой схемы 8 в течение времени обработки сигнала поступает еще один сигнал (фиг. 2, Б), то на выходе первого триггера 10 в момент поступления второго сигнала устанавливается уровень логической единицы и удерживается до окончания обработки последнего из наложенных сигналов на выходе формирующего усилителя 3. Сигнал с выхода первого триггера 10 подается на вход управления амлитудно-цифрового преобразователя 5 и запрещает преобразование искаженного второго сигнала.

Если на вход пороговой схемы 8 поступили два сигнала (фиг. 2, В), а пороговая схема 8 обработала их как один сигнал, то второй формирователь с повторным запуском 11 вырабатывает сигнал, по заднему фронту которого второй триггер 12 переключит по S-входу первый триггер 10. Сигнал с выхода первого триггера 10 запретит преобразование двух искаженных сигналов.

Преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в следующем:
- повышается точность и экспрессность измерений следовых концентраций примесей в радиоактивных материалах;
- значительно расширяется область применения альфа-спектрометра и существенно повышается чувствительность альфа-спектрометра;
- существенно уменьшается искажение измеренных спектров альфа-излучения, непрерывное распределение справа от основного пика альфа-излучения уменьшается в 65 раз;
- существенное уменьшение распределения, вызванного наложенными сигналами, позволяет определять малые концентрации радионуклидов на фоне интенсивной альфа-линии;
- кроме того, производительность альфа-спектрометра повышается на 5-6% за счет уменьшения числа отбракованных результатов измерений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий.

Средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области измерений ядерных излучений, и может быть использовано при измерении следовых концентраций примесей в радиоактивных материалах.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность существенного уменьшения искажения измеряемых спектров альфа-излучения, вызванного наложенными сигналами, с помощью дискриминации сигналов по форме значительно расширяет область применения альфа-спектрометра, существенно уменьшает нижний предел измерения активности нуклида.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "промышленная применимость".

Заявляемое устройство альфа-спектрометра было изготовлено и проведена его экспериментальная проверка. Снимали спектр образцового источника с радионуклидом Pu-238 активностью 3500 Бк с дискриминатором сигналов по форме и без него.

Результаты экспериментальной проверки представлены в таблице.

Из данных таблицы можно сделать вывод, что в заявляемом устройстве не регистрируется большинство наложенных сигналов, при этом скорость счета в пике практически не изменилась. Число импульсов справа от пика уменьшилось в 65 раз.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Каталог. Радиационный контроль./ Оборудование и услуги. Научно-производственное предприятие "ДОЗА", 1997.

2. Наумов М.А., Рагимов Т.К. Определение содержания плутония-236 в плутонии// Радиохимия, 1989, т. 31, N 2, с. 101-104.

3. Балдин С.А. Авторское свидетельство СССР N 545943, G 01 T 1/17.

4. Каталог. НПЦ "Аспект", 1998.

Формула изобретения

Альфа-спектрометр с высоким временным разрешением, включающий полупроводниковый детектор, зарядочувствительный предусилитель, формирующий усилитель, выход которого соединен с линейным входом амплитудо-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит узел дискриминации сигналов по форме, при этом выход зарядочувствительного предусилителя соединен со входом узла дискриминации сигналов по форме, выход которого соединен со входом управления аналого-цифрового преобразователя, причем узел дискриминации сигналов по форме содержит дифференцирующий усилитель, восстановитель постоянной составляющей, пороговую схему, два формирователя по длительности и два триггера, а вход дискриминатора сигналов по форме через последовательно включенные дифференцирующий усилитель, восстановитель постоянной составляющей, пороговую схему и первый формирователь с повторным запуском подключен к соединенным R- и D-входам первого триггера, выход которого соединен с входом управления амплитудно-цифрового преобразователя, выход пороговой схемы соединен с C-входом первого триггера, выход пороговой схемы подключен через последовательно соединенные второй формирователь с повторным запуском и второй триггер к S-входу первого триггера, выход пороговой схемы подключен к соединенным R- и D-входам второго триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3