Способ стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику

Изобретение относится к радиационному приборостроению и экспериментальной ядерной физике. Сущность изобретения заключается в том, что излучение регистрируют в N>2 смежных каналах, расположенных так, чтобы включать в себя реперный пик, определяют средние значения частот следования импульсов F_N во всех каналах, сравнивают между собой полученные в двух заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных каналах значения F_N и по результатам сравнения формируют основной управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта, при этом значения границ смежных каналов выбирают пропорциональными членам возрастающей геометрической прогрессии со знаменателем Q, вычисляют нормированные значения средних частот следования импульсов во всех каналах

F_N(норм)=F_N/Q^N-1, определяют канал, в котором значение F_N(норм) максимально, и, если этот канал не окажется одним из заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных каналов, вырабатывают предварительно установленный для каждого прочего канала дополнительный сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта. Технический результат - повышение стабильности и надежности работы системы. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиационному приборостроению и экспериментальной ядерной физике и может быть использовано в радиометрической и спектрометрической аппаратуре и, в первую очередь, в радиационных приборах контроля различных технологических параметров с применением сцинтилляционных счетных и спектрометрических блоков детектирования.

Известен ряд способов стабилизации спектрометрического тракта, в которых используют информацию, получаемую от дополнительных реперных (опорных) радиоактивных или световых излучателей, причем предпочтение отдается первым, поскольку в них регулирующей обратной связью охвачен как детектор, так и усилительный тракт блока детектирования [1]. При этом излучение регистрируют в двух смежных каналах, расположенных на разных склонах реперного пика, сравнивают средние частоты следования импульсов в первом и втором дифференциальных каналах и по результатам сравнения формируют управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта.

Такие известные способы не обеспечивают высокую стабильность и надежность при значительном изменении интенсивности измеряемого излучения, что особенно характерно для радиационных приборов контроля параметров различных технологических процессов. Это связано с тем, что высота собственно реперного пика на спектральном распределении остается постоянной, а остальная часть распределения, в том числе "подкладка" под реперным пиком изменяется, примерно, пропорционально интенсивности измеряемого излучения. При значительных загрузках эта "подкладка" может во много раз превосходить высоту собственно реперного пика, что снижает надежность стабилизации.

Известен также способ стабилизации спектрометрического тракта, где тоже регистрируют излучение в двух смежных каналах, расположенных на разных склонах реперного пика и аналогичным образом формируют управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи, но в качестве реперного источника используют поток характеристического излучения, генерируемого измеряемым гамма-излучением в дополнительном экране, окружающим непосредственно сцинтилляционный детектор [2]. В этом способе интенсивность характеристического излучения, используемого для создания реперного пика, примерно пропорциональна интенсивности измеряемого излучения и, следовательно, отношение высоты реперного пика к "подкладке" изменяется незначительно. Это обеспечивает достаточно высокую стабильность и надежность при сравнительно медленном изменении дестабилизирующих факторов, влияющих на положение реперного пика относительно двух смежных измерительных каналов.

Однако, если изменение дестабилизирующего фактора, вызывающего смещение реперного пика на величину, сопоставимую или большую ширины последнего, происходит за время, сравнимое или меньшее, чем время формирования управляющего сигнала коррекции коэффициента передачи, то система стабилизации спектрометрического тракта не успеет своевременно выработать соответствующий сигнал коррекции. Это может привести, в зависимости от формы спектра, к долговременному или даже постоянному выходу системы из режима стабилизации из-за того, что ее два смежных измерительных канала после воздействия дестабилизирующего фактора не будут расположены на разных склонах реперного пика.

К упомянутым выше дестабилизирующим факторам можно отнести:

- резкое изменение температуры, влияющее на световыход сцинтиллятора;

- возникновение из-за механических или термических воздействий незначительных дефектов в сцинтилляторе, уменьшающих его световыход при сохранении работоспособности;

- временное воздействие достаточно мощного магнитного поля, влияющего на коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя, входящего в состав блока детектирования;

- быстрое и значительное изменение загрузки, которое может вызвать изменение амплитуды регистрируемых импульсов при прохождении их через электронный усилитель с разделительными конденсаторами.

Перечисленные дестабилизирующие факторы могут быть особенно актуальны в радиационных приборах, используемых для контроля различных технологических параметров производственных процессов. Кроме того, такие приборы могут работать непрерывно много месяцев, что может увеличить, до практически значимой величины, вероятность выхода за это время системы из режима стабилизации случайным образом в связи со стохастичностью процесса выработки сигнала коррекции.

Наиболее близким по назначению и признакам к заявляемому решению является принятый за прототип способ, реализованный в системе стабилизации энергетической шкалы спектрометра [3]. В этом способе стабилизации спектрометрического тракта по реперному пику излучение регистрируют в двух смежных измерительных каналах и двух дополнительных каналах. При этом полученные значения средних частот следования импульсов в двух измерительных каналах изменяют относительно друг друга обратно пропорционально отношению средних частот следования импульсов в дополнительных каналах. Затем управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта вырабатывают по результатам сравнения измененных таким образом значений средних частот следования импульсов в двух измерительных каналах. Такой способ позволяет повысить точность удержания границы между измерительными каналами на вершине реперного пика, но не исключает возможность долговременного или постоянного выхода системы из режима стабилизации при случайном или из-за быстрого изменения дестабилизирующего фактора смещении реперного пика на величину, сопоставимую или большую, чем ширина последнего.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого способа, заключается в повышении стабильности и надежности работы в условиях, когда вызываемое быстрым изменением дестабилизирующих факторов смещение реперного пика или стохастичность процесса выработки сигнала коррекции может привести к выходу системы из режима стабилизации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику, при котором излучение регистрируют в N>2 смежных каналах, расположенных так, чтобы включать в себя реперный пик, определяют средние значения частот следования импульсов F_N во всех каналах, сравнивают между собой полученные в двух заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных каналах значения F_N и по результатам сравнения формируют основной управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта, дополнительно выбирают значения границ смежных каналов пропорциональными членам возрастающей геометрической прогрессии со знаменателем Q, вычисляют нормированные значения средних частот следования импульсов во всех каналах F_N(норм)=F_N/Q^N-1, определяют канал, в котором значение F_N(норм) максимально и, если этот канал не окажется одним из заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных каналов, вырабатывают предварительно установленный для каждого прочего канала дополнительный сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта.

Предлагаемый способ апробирован в счетном сцинтилляционном блоке детектирования БД-6, в котором в качестве реперного источника использовался поток характеристического излучения, возникающего в свинцовом экране, окружающем боковую и одну из торцевых поверхностей неорганического сцинтиллятора.

Реализация способа иллюстрируется Фиг.1 и Фиг.2. На фиг.1 изображена часть регистрируемого сцинтилляционным блоком детектирования спектра в диапазоне энергий ~15-300 КэВ. При этом в качестве излучателя использовался изотоп ²²Na, a сцинтиллятор из NaJ(T1) был окружен свинцовым экраном толщиной 1 мм. Аналогичная форма спектра сохраняется при уменьшении активности излучателя вплоть до нуля, когда источником излучения остается только естественный гамма-фон окружающей среды. Изображенная на рисунке часть спектра разделена на девять примыкающих друг к другу каналов, причем значения границ этих каналов образуют возрастающую геометрическую прогрессию со знаменателем Q=1,3. Заранее выбранные каналы 5 и 6 расположены по обе стороны от реперного пика с энергией около 72 КэВ. Очевидно, что площадь фигуры, заключенная в границах каждого канала и ограниченная кривой спектра, пропорциональна средней частоте следования импульсов F_N в этом канале.

На фиг.2 изображена гистограмма нормированных значения средних частот следования импульсов в каналах по фиг.1, определяемых по формуле

F_N(норм)=F_N/Q^N-1=F_N/1,3^N-1. Легко видеть, что при нормальной работе системы автостабилизации, т.е. когда заранее выбранные каналы 5 и 6 расположены по обе стороны от реперного пика, максимальное значение F_{N (норм)} будет всегда находиться в одном из этих каналов. Характерно, что это свойство сохраняется в диапазоне энергий, где отсутствуют другие пики кроме реперного, независимо от выбора пары сопряженных каналов, граница между которыми расположена максимально близко к реперному пику.

Когда при случайном, или из-за быстрого изменения дестабилизирующего фактора, произойдет смещение реперного пика на величину, сопоставимую или большую, чем ширина последнего, то система стабилизации спектрометрического тракта может не успеть своевременно выработать основной управляющий сигнал коррекции и вследствие этого произойдет временный или постоянный выход системы из режима стабилизации, т.к. ее два смежных измерительных канала после воздействия дестабилизирующего фактора не будут расположены на разных склонах реперного пика.

В предлагаемом способе дополнительно осуществляется постоянное вычисление нормированных значений средних частот следования импульсов во всех каналах F_{N (норм)} и определение канала, в котором значение F_{N (норм)} максимально. При этом, если этот канал не окажется одним из заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных измерительных каналов, вырабатывают дополнительный сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта. Величину такого дополнительного сигнала в виде коэффициента изменения коэффициента передачи детектирующего тракта заранее рассчитывают или определяют экспериментально для каждого не измерительного канала таким образом, чтобы после сжатия или растяжения спектра от воздействия этого сигнала граница между двумя смежными измерительными каналами оказалась в точке, ранее соответствующей среднему геометрическому значению выбранного не измерительного канала. Вследствие этого после воздействия дополнительного сигнала коррекции два смежных измерительных канала будут вновь расположены на разных склонах реперного пика, что соответствует нахождению системы в режиме автостабилизации.

Очевидно, что величина дополнительного сигнала коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта может быть заранее легко рассчитана. Например, при наиболее часто используемой коррекции коэффициента передачи за счет изменения напряжения питания ФЭУ, требуемое значение коэффициента изменения напряжения K_UN для каждого N-го не измерительного канала, в котором значение F_N(норм) зафиксировано максимальным, может быть определено с достаточной для практических целей точностью, как:

K_UN=Q^{(Nиl+Nи2-2N)/2D};

где: Q - знаменатель возрастающей геометрической прогрессии, членам которой пропорциональны значения границ всех смежных каналов;

N_И1 и N_И2 - номера первого и второго смежных измерительных каналов;

D - количество динодов ФЭУ.

Дополнительным преимуществом заявляемого способа является возможность использования имеющейся системы сопряженных каналов с вышеописанным выбором границ и вычислением нормированных значений средних частот следования импульсов F_N(норм) в этих каналах для предварительной автоматической настройки системы автостабилизации, например, после включения. При этом первоначально все сопряженные каналы используют как не измерительные, вычисляют нормированные значения средних частот следования импульсов F_N(норм) в них, определяют канал, в котором значение F_N(норм) максимально, и вырабатывают предварительно установленный по вышеприведенному алгоритму для каждого канала дополнительный сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта. После этого два заранее выбранные в качестве измерительных сопряженных канала оказываются по обе стороны реперного пика, что обеспечивает дальнейшую работу системы в нормальном режиме автостабилизации.

Проведенные испытания предлагаемого способа показали его работоспособность и эффективность. Так, в вышеописанном счетном сцинтилляционном блоке детектирования БД-6, в котором был реализован предлагаемый способ стабилизации, быстрое и значительное воздействие дестабилизирующего фактора имитировалось искусственным скачкообразным изменением напряжения питания ФЭУ или воздействием на ФЭУ магнитного поля постоянного магнита. Степень этого воздействия выбиралась такой, чтобы вершина реперного пика оставалась в зоне спектра, охватываемой набором сопряженных каналов. При этом наблюдалось быстрое и устойчивое возвращение системы в нормальный режим автостабилизации. Испытания в реальных условиях при работе блока детектирования БД-6 в радиационных приборах контроля технологических параметров производственных процессов также показали устойчивую работу реализованного в нем заявляемого способа стабилизации спектрометрического тракта в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов.

Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное решение является новым, для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области техники, то есть соответствует критериям изобретения.

Литература

1. Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа, М., Атомиздат, 1976, с.172.

2. Ролдугин В.А. и др. Способ дифференциальной стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику. Патент РФ №2225712 от 04.03.2002.

3. Брагин А.А. и др. Система стабилизации энергетической шкалы спектрометра. АС СССР №949571 от 29.01.81.

Способ стабилизации спектрометрического тракта сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения по реперному пику, в котором излучение регистрируют в N>2 смежных каналах, расположенных так, чтобы включать в себя реперный пик, определяют средние значения частот следования импульсов F_N во всех каналах, сравнивают между собой полученные в двух заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных каналах значения F_N и по результатам сравнения формируют основной управляющий сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта, отличающийся тем, что значения границ смежных каналов выбирают пропорциональными членам возрастающей геометрической прогрессии со знаменателем Q, вычисляют нормированные значения средних частот следования импульсов во всех каналах F_N(норм)=F_N/Q^N-1, определяют канал, в котором значение F_N(норм) максимально, и, если этот канал не окажется одним из заранее выбранных двух ближайших к вершине реперного пика смежных каналов, вырабатывают предварительно установленный для каждого прочего канала дополнительный сигнал коррекции коэффициента передачи детектирующего тракта.