Результат интеллектуальной деятельности: СПЕКТРОМЕТР-РАДИОМЕТР ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК СМЕШАННЫХ ПОЛЕЙ АЛЬФА-БЕТА- И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ СОСТАВНОГО ДЕТЕКТОРА

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании аппаратуры радиационного контроля для определения спектрометрических, радиометрических и дозиметрических параметров загрязненной среды при одновременной регистрации альфа-, бета- и гамма-излучений.

Экстенсивный путь расширения функциональных возможностей аппаратуры радиационного контроля, который реализуется за счет увеличения числа блоков детектирования, каждый из которых предназначен для измерения только одного вида излучения [1], во многом исчерпал себя. Такой метод построения аппаратуры не является оптимальным, так как существенно увеличивает время определения радиационной обстановки за счет смены нескольких блоков детектирования и времени прогрева каждого из них при подготовке к измерениям. Кроме того, в смешанных полях, когда присутствуют различные виды излучений, например гамма- и бета-излучения, при проведении измерений не представляется возможным оценить влияние сопутствующего, не основного для данного блока детектирования, вида излучения. Например, для блока детектирования гамма-излучения - это влияние бета-излучения и наоборот.

Задачи повышения экспрессности измерений, что является жизненно важным для работы на загрязненных территориях, и осуществления коррекции взаимного влияния различных видов излучений на результаты измерений, можно решить путем создания многофункционального прибора с одним универсальным блоком детектирования, позволяющим регистрировать несколько видов излучений и проводить измерение параметров каждого из них. В работе [2] были рассмотрены основы построения таких многофункциональных приборов на базе одного универсального блока детектирования и показано, что оптимальным путем построения многофункционального прибора является применение в его составе сцинтилляционного фосвич-детектора.

Известно устройство для измерения мощности дозы гамма- и удельной активности альфа- или бета-излучений [2]. Это самый распространенный случай применения фосвич-детекторов. Такие детекторы строятся в основном с использованием сцинтиллятора ZnS(Ag) и второго органического или неорганического сцинтиллятора. Измерения можно проводить как последовательно, так и параллельно. Идентификация излучений происходит с использованием дискриминации сигналов по форме импульса в фосвич-детекторе.

В качестве примера можно привести устройство спектрометрии бета-излучения с подавлением гамма-фона [3]. Для этих целей используется детекторы типа «dE+E». Они позволяют подавлять гамма-фон примерно в 10 раз (т.е. практически исключить его из бета-канала).

Известно также устройство для спектрометрии гамма- и бета-излучений [4], с использованием внешнего детектора на основе сцинтиллирующей пластмассы и второго детектора CsI(Tl). Измерения проводятся одновременно и раздельно. Идентификация излучений происходит с использованием дискриминации сигналов с фосвич-детектора по форме импульса.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является спектрометр бета- и гамма-излучений [5], позволяющий одновременно регистрировать и осуществлять анализ энергетических спектров этих видов излучений. Схематично конструкция блока детектирования этого устройства приведена на фиг.1. Данный спектрометр оснащен фосвич-детектором для одновременной спектрометрии бета- и гамма-излучений. Такой детектор предназначен для работы в смешанных полях излучения и включает в себя комбинацию из трех сцинтилляторов различной толщины и различных характеристик.

Сцинтилляторы расположены слоями и оптически соединены с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Два из трех слоев используются для обнаружения бета-частиц, а третий слой - для регистрации гамма-излучения. Использование двух различных слоев для регистрации бета-излучений позволяет дискриминировать нежелательные перекрестные помехи, например, от гамма-излучений (т.е. исключить из бета-канала фон, обусловленный гамма-излучением).

Для регистрации бета-излучений используется тонкий органический сцинтиллятор ВС-400, время высвечивания которого составляет 2 нс, и сцинтиллятор CaF₂(Eu) с временем высвечивания 940 нс. Сцинтиллятор CaF₂(Eu) является основным, в нем осуществляется полное поглощение энергии бета-частиц. Сцинтиллятор ВС-400 играет вспомогательную роль. В нем теряется малая доля энергии частицы, он предназначен для регистрации факта пролета бета-частицы тонкого детектора и попадания частицы в основной детектор CaF₂(Eu). Для регистрации гамма-излучений используется сцинтиллятор NaI(Tl) с временем высвечивания 250 нс.

Оптические сигналы от сцинтилляционных слоев преобразуются ФЭУ в электрические импульсы. Сигналы от каждого из трех сцинтилляторов преобразуются в электрические импульсы разной формы, в зависимости от времени высвечивания сцинтиллятора. Оцифровка импульса и анализ его по форме осуществляется с помощью быстрого аналого-цифрового преобразователя с тактом (интервалом) преобразования 10 нс и соответствующего алгоритма обработки полученной информации, реализованной в процессоре прибора. Импульсы с разной формой, в устройстве обработки прибора, распределяются по разным каналам регистрации (канал бета-излучений и канал гамма-излучений). Импульс классифицируется как бета в случае, если он определяется как пришедший от первого и второго сцинтиллятора. Импульсы от третьего сцинтиллятора записываются только как гамма, другие импульсы отвергаются как неизвестные события. Полученные спектры сигналов от бета- и гамма-излучений накапливаются в разных областях памяти процессора с последующим выводом в ЭВМ.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности одновременной регистрации и раздельного анализа характеристик альфа-, бета- и гамма-излучений. Кроме того, использование трех сцинтилляторов для разделения потоков сигналов, ответственных за регистрацию бета- и гамма-излучений, а также сравнительно близкие значения времени высвечивания сцинтилляторов СаF₂(Еu) и NaI(Tl), приводит к снижению эффективности разделения этих сигналов, т.е. к взаимному проникновению сигналов канала бета в сигналы канала гамма и наоборот.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, заключающегося в одновременной регистрации и раздельном анализе характеристик полей альфа-, бета- и гамма-излучений, а также повышение эффективности разделения сигналов от бета- и гамма-излучений.

Предложен спектрометр-радиометр для одновременного анализа характеристик смешанных полей альфа-, бета- и гамма-излучений на основе комбинированного детектора (КД). Конструктивные особенности и блок-схема устройства приведены на фиг.2.

Поставленная задача решена следующим образом.

Устройство содержит комбинированный детектор, состоящий из полупроводникового «пролетного» детектора (ППД) (в роли которого выступает кремниевый детектор), органического сцинтиллятора (в роли которого выступает паратерфенил) и кристаллического сцинтиллятора NaI(Tl). Полупроводниковый кремниевый детектор расположен со стороны входного окна комбинированного детектора, вплотную к паратерфенилу. Сцинтиллятор NaI(Tl) расположен за паратерфенилом и крепится вплотную к ФЭУ. Между сцинтилляторами NaI(Tl) и паратерфенил установлено кварцевое стекло. Сборка паратерфенил, NaI(Tl), кварцевое стекло и фотоэлектронный умножитель представляет собой фосвич-детектор из двух сцинтилляторов.

Тонкий «пролетный» кремниевый детектор толщиной 200-300 мкм используется для регистрации альфа-излучений. При регистрации бета-излучений в спектрометре-радиометре используются сигналы кремниевого детектора и паратерфенила, толщина которого составляет 7 мм, время высвечивания сцинтиллятора составляет 2 нс. Регистрация гамма-излучения осуществляется с помощью сцинтиллятора NaI(Tl).

В кремниевом детекторе альфа-излучение поглощается полностью, а бета-излучение теряет лишь небольшую часть своей энергии. Полное поглощение бета-частиц происходит в органическом сцинтилляторе.

Кварцевое стекло, установленное между паратерфенилом и NaI(Tl), предназначено для защиты NaI(Tl) от высокоэнергетического бета-излучения.

Таким образом, конструктивно комбинированный детектор состоит из полупроводникового пролетного детектора и фосвич-детектора на основе двух сцинтилляторов различной толщины и различных характеристик.

Два выхода сигналов комбинированного детектора КД подключены к устройству усиления, формирования и обработки сигналов, которое содержит: усилители УС-1, УС-2, два устройства оцифровки формы импульса сигналов детектора УОцФ-1, УОцФ-2, два пороговых дискриминатора-формирователя ПДФ-1, ПДФ-2, дискриминатор формы импульсов ДФИ, два цифровых интегратора ЦИ-1, ЦИ-2, схему совпадений СС, схему антисовпадений САС, три запоминающие устройства ЗУ-1, ЗУ-2, ЗУ-3, схему пропускания «И».

Устройство работает следующим образом.

При попадании смешанного излучения на вход (чувствительную область) комбинированного детектора КД альфа-частицы полностью поглощаются материалом тонкого полупроводникового детектора ППД. Бета-частицы, проникая сквозь ППД, теряют часть своей энергии и полностью поглощаются детектором бета-частиц, которым является органический сцинтиллятор паратерфенил. Гамма-кванты практически не взаимодействуют с тонким полупроводниковым кремниевым детектором, однако испытывают рассеяние на материале детектора бета-частиц и инициируют соответствующий отклик (сигнал) от него. Отметим, что этот сигнал является помехой для достоверного анализа спектра бета-излучения. После прохождения органического сцинтиллятора гамма-кванты испытывают практически полное поглощение в материале сцинтиллятора NaI(Tl).

При появлении сигнала на выходе полупроводникового детектора ППД импульс с выхода 2 комбинированного детектора КД поступает на вход усилителя УС-2 и с его выхода подается на вход устройства оцифровки формы импульса УОцФ-2, выход которого соединен с входом цифрового интегратора ЦИ-2 и входом порогового дискриминатора-формирователя ПДФ-2.

Пороговый дискриминатор-формирователь ПДФ-2, осуществляя отбор импульсов по порогу срабатывания, запускает цифровой интегратор ЦИ-2 и вырабатывает сигнал, поступающий на вход 2 схемы антисовпадений САС и на вход 2 схемы совпадений СС.

Цифровой интегратор ЦИ-2, в заданном временном интервале, производит суммирование цифровой выборки сигналов, поступающих от УОцФ-2. Накопленная сумма, пропорциональная амплитуде исходного импульса, поступает на адресный вход 2 инкрементного запоминающего устройства ЗУ-3.

При появлении сигнала на выходе фосвич-детектора ФД импульс с выхода 1 комбинированного детектора КД поступает на вход усилителя УС-1, где усиливается с максимально возможным сохранением формы, и с выхода УС-1 поступает на вход устройства оцифровки формы импульса УОцФ-1. Выход устройства оцифровки формы импульса УОцФ-1 соединен с входами порогового дискриминатора-формирователя ПДФ-1, дискриминатора формы импульса ДФИ и цифрового интегратора ЦИ-1.

Пороговый дискриминатор-формирователь ПДФ-1 осуществляет отбор импульсов по порогу срабатывания, запускает цифровой интегратор ЦИ-1 и вырабатывает управляющий сигнал, который поступает как на вход 1 схемы антисовпадений САС, так и на вход 1 схемы совпадений СС.

Цифровой интегратор ЦИ-1 производит суммирование выборки в заданном временном интервале, при этом накопленная сумма, пропорциональная амплитуде входного импульса, поступает на адресный вход 1 инкрементного запоминающего устройства ЗУ-1 и на адресный вход 1 инкрементного запоминающего устройства ЗУ-2.

Дискриминатор формы импульса ДФИ производит отбор сигналов сцинтилляторов по заданным условиям формы (по заданному алгоритму) и формирует управляющий сигнал на выходе β, если обнаружен импульс детектора, соответствующий алгоритму отбора в бета-канал, или управляющий сигнал на выходе γ, если обнаружен импульс детектора, соответствующий алгоритму отбора в гамма-канал.

Управляющий сигнал γ, с выхода дискриминатора формы ДФИ, поступает на управляющий вход 2 инкрементного запоминающего устройства ЗУ-2, разрешая запись в него.

Для компенсации гамма-фона в бета-канале сигнал на выходе β дискриминатора формы импульса ДФИ суммируется по «И» с выходным сигналом схемы совпадений СС и поступает на управляющий вход 2 инкрементного запоминающего устройства ЗУ-1, разрешая запись в него спектрометрической информации только при одновременном срабатывании полупроводникового детектора ППД и детектора бета-частиц паратерфенила.

Для компенсации бета-фона полупроводникового детектора в альфа-канале устройства детектирования выход схемы антисовпадений САС подключен к управляющему входу 1 инкрементного запоминающего устройства ЗУ-3, запрещая запись в него при одновременном срабатывании полупроводникового детектора ППД и фосвич-детектора ФД.

Таким образом данный прибор обеспечивает раздельную регистрацию сигналов по альфа-, бета- и гамма-каналам с автоматической компенсацией фона бета- и гамма-излучений в альфа-канале и фонового гамма-излучения в бета-канале.

Для иллюстрации эффективности использования в бета-канале спектрометра-радиометра пары сцинтилляторов паратерфенила и NaI(Tl) вместо сцинтилляторов CaF₂(Eu) и NaI(Tl), на фиг.3 приведены результаты оцифровки сигналов от сцинтилляторов паратерфенил, NaI(Tl) и СаF₂(Еu). Оцифровка сигналов осуществлялась через каждые 15 нс. Для удобства сравнения временные графики сигналов приведены к одной амплитуде. Из графиков фиг.3 видно, что форма сигнала от NaI(Tl) имеет более существенные отличия от формы сигналов паратерфенила, чем от формы сигналов СаF₂(Еu). Это обусловлено большей разницей во времени высвечивания сцинтилляторов NaI(Tl) и паратерфенила, чем у пары сцинтилляторов NaI(Tl) и CaF₂(Eu). В устройстве, принятым за прототип, принципиально невозможно использовать пару сцинтилляторов паратерфенил и NaI(Tl), т.к. для работы этого устройства необходимо три сцинтиллятора с различным временем высвечивания и третий сцинтиллятор в прототипе имеет характеристики, аналогичные характеристикам паратерфенила. Кроме того, следует отметить, что разделение трех информационных потоков, поступающих на один ФЭУ от трех сцинтилляторов, в любом случае менее эффективно, чем разделение двух информационных потоков, поступающих на один ФЭУ от двух сцинтилляторов.

Из приведенного описания можно сделать вывод, что совокупность отличительных признаков устройства является необходимым и достаточным условием для выполнения поставленной задачи, т.е. расширения функциональных возможностей прибора в части одновременной регистрации альфа-, бета- и гамма-излучений за счет введения дополнительного детектора альфа-излучения и повышения эффективности разделения бета- и гамма-излучений за счет существенной разницы во времени высвечивания органического и неорганического сцинтилляторов.

Литература

1. Арсаев М.И., Кладов А.В., Красников В.А. Универсальные радиометры для одновременного и раздельного измерения альфа- бета-активности проб УРФ-1 и УРФ-1М. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности АНРИ, 2006, №1. - С.50.

2. Арсаев М.И. Многофункциональные радиометры-дозиметры на основе сцинтилляционного фосвич-детектора. - Ядерные измерительно-информационные технологии, 20032, №2. - С.42.

3. Арсаев М.И., Кладов А.В. Фосвич-детектор для спектрометрии бета-излучения. Приборы и техника эксперимента, 2007, №1. C.112.

4. Wogman N.A., Brodzinski R.L., Brown D.P. Evaluation of a Phoswich detector for the in suti analysis of ⁹⁰Sr. IEEE Transactions on Nuclear Science? Vol.5-27, №1.

5. Simultaneons beta and gamma spectroscopy. Патент США № US 7683334, 63. 2010 г.