Сцинтилляционный блок детектирования

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИ:КОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реснублик

<111873176 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (51)М. Кл.з (22)Заявлено 21.01.80 (21) 2872670/18-25

G 01 Т 1/20 с присоединением заявки Но

Государствеккыа комнтет

СССР ао делам мзобретенна я открытка (23) Приормтет

Опубликовано 1 10.81 Бюллетень М 38 (53) УДК 621. 384. 2 (088. 8) Дата опубликования описания 15. 10. 81

В.В. Георгиев, В.A. Гладышев н Ж.M.. Кашкет

/ / /.

Особое конструкторское бюро технической кййериатики

Ленинградского ордена Ленина политехнического института им. М. И. Калинина (72) Авторы изобретения (73) Заявитель (54) СЦИНТИЛЛЯЦИОННЬЙ БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

Изобретение относится к измерению ионизирующих излучений, в частности к быстродействующей амплитудной спЕктрометРии и может быть иснользовано при сцинтилляционном методе .регистрации .гамма- и рентгеновского излучения.

Известно устройство для формирования спектрометрического импульса в сцинтилляционном блоке детектирования использующее интегрирование.импульсов анодного тока фотоэлектрон» ного.умножителя íà RC-цепи, а фильтрацию импульсов сигнала от шума осуществляющее дискриминацией импульсов по длительности. Данное устройство; позволяет производить дискриминаКию импульсов по длительности и повыша« ет отношение сигнал/шум на выходе спектрометрического тракта tiJ. 20

Однако при малой постоянной интегрирования происходит неполный сбор заряда, а увелиЧение постоянной времени анодной цепи фЭУ приводит к увеличению длительности проинтегрированных импульсов иэ-за наложений к искажению энергетического спектра. Кроме того, постоянная времени высвечивания детектора при понижении,температуры возрастает. 30

Известно устройство в котором за- . грузочная способность и сбор заряда увеличены, и применено ключевое формировайие. Это устройство содержит детектор, ФЭУ, последний диод которого соединен с, усилителем тока, дискриминатор нижнего уровня, ключ $23.

Однако время интегрирования импульса анодного тока одинаково для импульсов как сигнала так и шума,поэтому возможны искажения энергетического спектра иэ-за регистрации непропорционально усиленных одноэлектронных импульсов шума (флуктуации= коэффициента усиления ФЭУ вызывают непропорциональное усиление отдельных одноэлектронных импульсов, делая значение их амплитуды сравнимым со средними приведенными значениями-амплитуд многоэлектронных импульсов сигнала). При переводе ключа в высокоомное состояние (запирание ключа на фиксированный интервал времени) при наличии как полезного так и шумового импульса тока в анодной цепи

ФЭУ при увеличении уровня шумов, например при воздействии отрицательной температуры, ограничивается загрузочная способность из-за увеличения занятости спектрометрического

873176

i 30 тракта и ухудшается отношение сигнал/шум. Так как формирование спектрометрического импульса происходит на гаразитной емкости и ключе, то при большом динамическом диапазоне регистрируемых импульсов электронный ключ вносит выбросы напряжения в анодную нагрузку ФЗУ, что увеличивает мертвое время спектрометрического тракта и искажает энергетический спектр. Влияние выбросов напряжения 10 электронного ключа в анодной нагрузке ФЭУ становится особенно существенным при регистрации низкоэнергетического мягкого гамма-. и рентгеновского излучения в диапазоне энергии Б : 100 кэВ, когда амплитуда импульсов сигнала и шума сравнимы.

От коротких шумовых импульсов в спектрометрическом тракте зарегистрируется двойная информация (сам шумовой импульс и выброс напряжения 20 электронного ключа, появляющийся в процессе ключевого формирования в конце фиксированного интервала времени при переводе ключа из высокоомного в низкоомное состояние). 25

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является блок детектирования, в котором формирование спектрометрического импульса осуществляется на интегрирующей

RC-цепочке, параметры которой постоянны во времени, и на дифференцирующей Сй-цепочке, параметры которой изменяются во времени с помощью управляемого ключа. Тракт с таким фильтром, обеспечивает большее соотношение сигнал/шум, чем с фильтром, параметры которого постоянны во времени. Блок детектирования содержит последовательно соединенные, детектор, широкополосный токовый 4О усилитель, интегрирующую цепочку, усилитель, линейный пропускатель, управляющий вход которого подключен через одновибратор и амплитудный дискриминатор к выходу широкополосного токового усилителя, нормально замкнутый ключ, один иэ выводов которого соединен с землей j3).

Недостатками является то, что применение RC-цепочки в качестве ин- щ тегратора токового импульса с постоянными во времени параметрами технически не может обеспечить постоянную интегрирования порядка единиц микросекунд, так как, при увеличении емкости RC-цепочки (для увеличения сбора заряда) увеличивается постоянная разряда, возрастают наложения импульсов и искажается энергетический спектр. Кроме того, время интегрирования импульса анодного 60 тока одинаков как для импульсов сигнала, так и шума (происходит интегрирование в течение фиксированного интервала времени любого импульса, превышающего порог регистрации ампли- 65 тудного дискриминатора),возможны искажения энергетического спектра из-за регистрации непропорционально усиленных одноэлектронных импульсов шума„ и ограничение загрузочной способности спектрометрического тракта (из-за занятости), что ухудшает соотношение сигнал/шум. Недостатком блока детектирования является также то, что на интегрирующей RC-цепочке фильтра постоянно накапливается заряд от токовых. импульсов, так как, нет быстрой цепи разряда после окончания . импульса, что ограничивает загрузочную способность спектрометрического тракта и уменьшает соотношение сигнал/шум. Кроме того, токовые импульсы, амплитуда которых меньше порога регистрации амплитудного дискриминатора, дифференцируются

CR-цепочкой фильтра (ключ отрыт),что приводит к появлению выбросов обратного знака ° При высокой средней скорости света наложения на выброс обратного знака смещают пик амплитудного распределения в сторону меньших энергий (соотношение сигнал-шум падает).

Цель изобретения — увеличение отношения сигнал/шум и загрузочной способности спектрометрического тракта в блоке детектирования.

Поставленная цель достигается тем, что в блок детектирования, содержащий последовательно соединенные детектор, широкополосный токовый усилитель, интегрирующую цепочку, усилитель, линейный пропускатель, управляющий вход которого подключен через одновибратор и амплитудный дискриминатор к выходу широкополосного токового усилителя, нормально замкнутый ключ, один из выводов которого соединен с землей, введены управляемый одновибратор, схема вьщеления заднего фронта, схема И,причем, выход амплитудного дискриминатора соединен со входами управляемого одновибратора и схемы вьщеления заднего фронта, выход последней соединен с первым входом схемы И, второй вход которой соединен с выходом одновибратора, а Выход схемы

И подключен к управляющему входу. управляемого одновибратора, выход которого соединен с .управляющим входом ключа, второй вход которого соединен с выходом интегрирующей цепочки. Введение в блок детектирования управляемого одновибратора,схемы выделения заднего фронта, схемы И, а также. подключение нормально замкнутого ключа параллельно конденсатору в интегрирующей цепочке позволяет производить анализ и дискриминацию импульсов, по длительности и отфильтровывать короткие шумовые импульсы, что увеличивает отношение сигнал/шум и загрузочную способность

873176 спектрометрического тракта в блоке детектирования на основе сцинтйлляционного счетчика.

На фиг. 1 изображена функциональ;ная схема сцинтилляционного блока детектирования; на фиг. 2 — эпюры ,импульсов тока и напряжения для ко роткого шумового и сигнального импульсов.

Сцинтилляционный.блок детектирования (см.фиг.1) состоит из соединенных оптически детектора 1 и фотоэлектронного умножителя 2, последовательно соединенных широкополосного токового усилителя 3, интегри-. рующей цепочки 4, усилителя 5 и линейного пропускателя б. Нормально замкнутый ключ 7 подключен параллельно конденсатору в интегрирующей цепочке. Управляющий вход ключа соединен с выходом управляющего одновибратора 8. К выходу широкополосного токового усилителя подключен амплитудный дискриминатор 9, выполненный в виде триггера Шмитта.

Выход амплитудного дискриминатора соединен с управляемым одновибрато- 25 ром 8, схемой выделения заднего фронта 10, одновибратором 11. Од-. ним входом схемы И 12 является .выход выделения заднего фронта, а вторым— выход одновибратора. Выход схемЫ И 3Q является управляющим входом управляемого одновибратора 8. Выход одновибратора 11 соединен с управляемым входом линейного пропускателя.

На фиг. 2 изображены .эпюры тока и напряжений в точках 13- 15, 14,15.

Устройство работает следующим образом.

При детектировании гамма- или рентгеновского излучения детектором 1 на аноде ФЭУ 2 появляются импульсы 40 тока, имеющие экспоненциальный спад, которые усиливаются широкополосным токовым усилителем 3.. Импульс тока (1а и 2а, эпюры 13, фиг.2) поступает на вход амплитудного дискриминатора 45

9, выполненного в виде триггера

Шмитта. Если амплитуда переднего фронта импульса тока превьиаает некоторый постоянный порог дискриминации (1д, эпюра 13, фиг.2), уста- 5Q новленный в триггере Лйаитта, то аослЕдний вырабатывает импульс, поступающий на входы однови 5ратора, 11, схемы выделения заднего фронта 10 и управляемого одновибратора 8. Одновибратор 11 вырабатывает импульс с малой заданной длительностью (отрезок t>.-t ), который закрывает линейный пропускатель 6 на этом промежутке времени. Управляемый одновибратор 8 вырабатывает импульс с. боль- 40 шой заданной длительностью (отрезок

tg-t4), который размыкает нормально замкнутый ключ 7 и,на конденсаторе в интегрирующей цепочке 4 происходит сбор заряда токового импульса ко-, 65 роткого шумового (f а, эпюра 13, фиг. 2) или длинного сигнального (2 а, эпюра 13, фиг. 2) . Проинтегри; рованный импульс напряжения усиливается усилителем 5 и поступает на вход линейного пропускателя б. Когда амплитуда заднего фронта экспоненциального токового импульса становится меньше уровня регистрации амплитудного дискриминатора 9, то последний устанавливается в исходное состояние (в момент времени для короткого шумового импульса, или в момент времени t для длинного сигнального импульса). По заднему фронту входного импульса дискриминатора

9 схема выделения заднего фронта

10 вырабатывает импульс, поступающий на первый вход схемы И 12, на второй вход которой подается импульс с выхода одновибратора 11. Эти импульсы совпадают во времени для короткого шумового импульса, поэтому на выходе схемы И 12 появляется импульс, который поступает на.управляющий вход управляемого одновибратора 8 и последний устанавливается в исходное состояние, прекращая подачу импульса на управляющий вход ключа 7.Ключ

7 переходит в нормально замкнутое состояние. Конденсатор в интегрирующей цепочке 4 разряжается. Сформированный короткий импульс напряжения (1 б, эпюра 14, фиг.2) не пропускается линейным пропускателем б на выход блока детектирования. Для длинного сигнального импульса схема вы- деления заднего фронта 10 вырабаты-. вает импульс (в момент времени t>), который не совпадает во времени с импульсом одновибратора 11 на вХодах И 12.Поэтому на выходе схемй И

12 отсутствует импульс и управляемый одновибратор 8 генерирует импульс" с большой заданной длительностью (tо-t4)l. По окончании действия импульса запрета одновибратора 11 (в момент t2) линейный пропускатель б открывается и сформированный импульс на конденсаторе в интегрирующей цепочке 4 (2 б, эпюра 14, фиг.2) поступает на выход блока детектирования (2 в, эпюра 15, фиг.2). По окончании действия импульса управляемого одновибратора 8 ключ 7 переходит s нормально замкнутое состояние, разряжая конденсатор в интегрирующей цепочке за короткое время (отрезок t4 -tg}.

Сформированный импульс имеет крутые передний и задний фронты (2 в, эпюра. 15, фиг.2).

Применение в сцинтилляционном. блоке детектирования анализа и дискриминации выходных импульсов сцинтилляционного счетчика по длительности совместно с ключевым формированием спектрометрическнх импульсов позволяет при высокой загрузочной способности увеличить в 1,5-2 раза

873176 протяженность "плато" счетной характеристики за счет увеличения отношения сигнал/шум. Так, при регистрации гамма-излучения от источника24 /А „„ с помощью детектора Кц,((те) ф 30 х 63 при загрузке 1 10 1/с "плато" увеличилось от 250 В до 400 В, а при загрузке 5 ° 10 1/с - от 100 В до

160 В. Относительное улучшение энергетического разрешения при этом составило 15-20% для линии 60 кэВ.

Формула изобретения

Сцинтилляциониый блок детектир вания, содержащий последовательно соединенные детектор, широкополосный токовый усилитель, интегрирующую цепочку, усилитель, линейный пропускатель,.управляющий вход которого подключен через одновибратор и амплитудный дискриминатор к выходу ши; рокопблосного токового усилителя, нормально замкнутый ключ, один из выводов которого соединен с землей, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/ .шум и загрузочной способности, детектор выполнен в виде сцинтилляционного счетчика,а в блок дополнйтельно введены управляемый одновиб« ратор, схема выделения заднего фронта, схема И, причем, выход амплитудного дискриминатора соединен со входами управляемого одновибратора е и схемы выделения заднего фронта, выход последней соединен с первым входом схемы И, второй вход которой соединен с выходом одновибратора, выход схемы И подключен к, управляю о щему входу управляемого одновибратора, выход которого соединен с .управляющим входом ключа, второй вход которого соединен с выходом интегрирующей цепочки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кузьмин N.Ã. Дискриминация импульсов по длительности в целях увеличения протяженности плато счет ной характеристики и улучшения стабильности счета сцинтилляционного счетчика, "Радиационная техника", вып. 14„ 1977, Атомиздат, с. 116.

2. Авторское свидетельство СССР 5 9 336624, кл. G 01. Т 7/00, 1972.

3. Курашов A.A. Идентификация импульсов от детекторов излучения, N., Атомиздат, 1972, с. 149,рис. 8,6б (прототип).

ЗНИИПИ Заказ 9027/72

Тираж 735 Подписное

Ю \ ЮЮ ЮЮМ

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4