Способ стабилизации энергетической шкалы спектрометра и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и предназначено для стабилизации коэффициента усиления сцинтилляционного спектрометра гамма-излучения. Способ заключается в накоплении в интеграторе разности скоростей счета в цифровых окнах на склонах реперного пика. При этом в интегратор вводят дополнительный сигнал коррекции, который суммируют с реперным сигналом. Затем переписывают полученную сумму сигналов в интегратор, изменяя коэффициент передачи спектрометра так, чтобы максимум информационного пика установился на границе между двумя выбранными на энергетической шкале смежными амплитудными окнами. Эту сумму сигналов выдерживают в интеграторе в течение времени измерения информационного пика. Устройство содержит сцинтилляционный детектор, усилитель, анализатор и электронную управляющую схему. Технический результат заключается в повышении точности стабилизации энергетической шкалы сцинтилляционного спектрометра при определении малых концентраций, например, урана-235 в газообразном гексафториде урана. 2 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и предназначено для стабилизации коэффициента усиления сцинтилляционного спектрометра гамма-излучения.

Известен способ (1) стабилизации коэффициента усиления спектрометрического тракта, заключающийся в измерении скорости счета в электронных окнах на склонах эталонного пика и сравнении этих скоростей при помощи интенсиметра.

Известно устройство (2), реализующее способ стабилизации спектрометра по регистрируемой аппаратурной линии. Устройство содержит детектор, усилитель, анализатор, реверсивный счетчик, преобразователь код-аналог, регулятор.

Сигналом ошибки у известных устройств стабилизации служит накапливаемая в реверсивном счетчике (или в интенсиметре) информация, персональная разности счета в электронных окнах на левом и правом склонах энергетического пика.

При этом, реверсивный счетчик или интенсиметр является интегратором ошибки.

Любое изменение коэффициента усиления спектрометрического тракта приводит к смещению фотопика от номинального положения на энергетической шкале и накоплению в интеграторе числа соответствующего знака. Это число преобразуют в регулирующее напряжение и используют для изменения коэффициента усиления спектрометрического тракта, чем обеспечивает стабилизацию энергетической шкалы спектрометра.

Недостатком известных технических решений является то, что чувствительность их к смещению регистрируемого фотопика, т.е. к дрейфу энергетической шкалы, зависит от интенсивности фотопика и при ее изменении (например, при смене анализируемых образцов или при непрерывном анализе содержания урана-235 в газообразном потоке гексафторида урана) также может измениться и может значительно отклониться от оптимального значения. При этом, вследствие возрастания динамических погрешностей стабилизации, увеличивается среднеквадратичное отклонение фотопика от номинального положения, т.е. снижается точность стабилизации энергетической шкалы, а при малых значениях интенсивности регистрируемого фотопика может привести к потере стабилизации.

Известен способ с применением реперного гамма-источника для стабилизации шкалы спектрометра (3). При использовании гамма-источника с энергией реперного пика, равной или мало отличающейся от энергии информационного пика, регистрацию реперного и информационного фотопиков осуществляют в одном измерительном канале анализатора поочередно.

Стабилизацию шкалы спектрометра в период измерения информационного пика осуществляют по этому же пику. В равновесном состоянии такой системы разность интенсивностей счета в окнах левого и правого склонов реперного пика равна или близка к нулю, т.к. чувствительность устройства при этом оптимальна и разность счета в окнах компенсируется смещением максимума фотопика на границу смежных амплитудных окон.

Ошибка стабилизации возникает в период работы устройства на информационном пике, например, при измерении сцинтилляционным спектрометром малых концентраций урана-235 в газообразном гексафториде урана. Это связано с тем, что при переходе от измерений реперного к измерениям информационного пика из-за низкой величины отношения ординаты информационного пика в районе его максимума к ординате фона, разность интенсивностей счета в окнах не может скомпенсироваться смещением максимума этого пика на границу смежных амплитудных окон. Поскольку разница положений на энергетической шкале информационного фотопика по отношению к реперному, обусловленная различием геометрических факторов измерений реперного и исследуемого источников излучений, а также и аппаратурной нестабильностью, может достигать значительной величины, то это приводит к неконтролируемому дрейфу максимума информационного пика, что не исключает потерю стабилизации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ стабилизации коэффициента усиления гамма-спектрометра, заключающийся в накоплении в интеграторе разности скоростей счета в окнах на левом и правом склонах реперного пика (4).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство стабилизации сцинтилляционного гамма-спектрометра, содержащее сцинтилляционный детектор, усилитель, анализатор, две схемы выбора окон, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, регулируемый источник питания (5).

Известный способ не позволяет обеспечивать требуемую точность стабилизации информационного пика при длительной, круглосуточной эксплуатации спектрометра и непрерывном контроле концентрации, например, урана-235 в газообразном гексафториде урана, где к стабилизации реперного сигнала предъявляются повышенные требования. Способ не обеспечивает стабилизацию изменений светового выхода сцинтилляционного детектора, что может значительно снизить точность стабилизации. Использование в устройстве светодиода в целях получения реперного пика усложняет аппаратуру, т.к. требует применения стабильного генератора световых импульсов, требует дополнительных схемных построений для обеспечения стабильной работы светодиода, что, как правило, не позволяет получить высокую надежность и требуемую точность стабилизации во времени.

Цель изобретения - повышение точности стабилизации энергетической шкалы сцинтилляционного спектрометра при определении малых концентраций урана-235 в газообразном гексафториде урана.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе стабилизации энергетической шкалы спектрометра в интегратор вводят дополнительный сигнал коррекции, причем выбирают величину дополнительного сигнала, соответствующую разности положений на энергетической шкале реперного и информационного фотопиков, суммируют дополнительный сигнал с реперным сигналом, переписывают полученную сумму сигналов в интегратор, изменяя коэффициент передачи спектрометра так, чтобы максимум информационного фотопика установился на границу между двумя выбранными на энергетической шкале смежными амплитудными окнами, выдерживают сумму дополнительного и реперного сигналов в интеграторе в течении времени измерения информационного пика.

Кроме того, в устройство стабилизации, содержащее сцинтилляционный детектор, выход которого соединен с сигнальным входом усилителя, соединенного выходом с входом двухканального дискриминатора, подключенного выходами к соответствующим входам двух схем выбора окон, подключенных выходами к входам двух ключей, управляющие входы которых подключены к шине "Пуск", реверсивный счетчик, информационные входы которого подключены к входам цифроаналогового преобразователя, подключенного выходом к регулирующему входу источника питания детектора, дополнительно введены регистр, сумматор, шины установки кода числа, две шины "Запись", причем выходы ключей подключены к счетным входам реверсивного счетчика, информационные выходы которого дополнительно подключены к информационным входам регистра, подключенного выходами к первой группе входов сумматора, вторая группа входов которого подключена к шинам установки кода числа, информационные выходы сумматора подключены к входам предварительной установки реверсивного счетчика, соответственно одна шина "Запись" подключена к входу разрешения записи регистра, вторая шина "Запись" - к цепи начальной установки реверсивного счетчика.

На фиг. 1 представлены кривые фотопиков, где U - амплитуды импульсов, пропорциональные энергии квантов гамма-излучения, J - интенсивность импульсов данной амплитуды, U₀ - нормальное положение максимума фотопика на энергетической шкале (общая граница смежных амплитудных окон), U₀-U₁; U₂-U₀- диапазоны амплитудных импульсов, образуемые смежные амплитудные окна на левом и правом склонах фотопика.

При измерении сцинтилляционным спектрометром газовых источников излучения (например, при определении концентрации урана-235 в газообразном гексафториде урана) в качестве реперного источника применяют источник из твердого урана. При этом энергии реперного и информационного пиков равны. Но положение информационного пика (кривые II, фиг. 1) на энергетической шкале по отношению к положению реперного пика (кривая I, фиг. 1) будет различным. Разница положений фотопиков может достигать значительной величины (до 13-15%). Это обусловлено свойствами сцинтилляционного детектора, т.к. имеется неустранимое различие в геометрии измерений реперного и исследуемого источников.

Разность E положения максимума информационного фотопика по отношению к максимуму реперного (т.е. по отношению к И) может иметь различный знак ( - E или + E на фиг. 1).

При неизменной геометрии измерения каждого из указанных источников в отдельности и для конкретной установки величина E имеет один знак и является величиной постоянной.

Разность положений фотопиков может компенсироваться системой стабилизации лишь при условии, когда информационный пик явно выражен т.е. интенсивность счета в выбранных амплитудных окнах обеспечивает достаточную чувствительность устройства при работе на информационном пике.

При близких к пороговым концентрациям урана-235 в измерительном канале спектрометра U₁-U₂ (фиг. 1), настроенном на интервал энергий 162-210 кэВ, явно выраженного максимума интенсивности фотопика не наблюдается. Измерения проводятся на флуктуирующем фоновом пьедестале (апроксимированная линия IV, фиг. 1).

Чувствительность устройства стабилизации при этом минимальна и дрейф информационного фотопика практически неконтролируем.

Повышение точности стабилизации по предлагаемому способу обеспечивается тем, что искусственным путем смещают на энергетической шкале информационный фотопик на заранее определенную величину E так, чтобы он занял номинальное положение по отношению границ окон (кривая III, фиг. 1). Знак и величину E определяют при градуировке как разницу положений максимумов реперного и информационного фотопиков. При этом, интенсивность информационного фотопика выбирают такой, чтобы его максимум был явно выражен (кривые II, фиг. 1).

Интенсивность реперного пика обычно выбирают такой, чтобы обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики устройства стабилизации, а также требуемую статистическую точность информации с выхода стабилизируемого спектрометрического тракта.

Перед каждым измерением исследуемого источника производят измерение реперного. При этом, в равновесном состоянии устройства стабилизации реперный сигнал в интеграторе соответствует положению реперного фотопика на энергетической шкале. После окончания измерения реперного источника к реперному сигналу в интеграторе суммируют (с учетом знака) сигнал, соответствующий величине E. В этом положении интегратор фиксируется до окончания измерения информационного фотопика.

Если значения концентрации урана-235 в исследуемых источниках таковы, что интенсивность информационного фотопика обеспечивает номинальную чувствительность устройства стабилизации, то после сложения вышеуказанных сигналов и записи полученной суммы в интегратор, интегратор может не фиксироваться. Устройство стабилизации будет "отслеживать" информационный пик, как и реперный. В этом случае применение предлагаемого способа позволяет увеличить быстродействие системы стабилизации, т.е. сокращает время перехода ее для работы на информационном пике.

На фиг. 2 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ стабилизации.

Устройство содержит исследуемый источник 1, например газовый, реперный источник 2, сцинтилляционный детектор 3, усилитель 4, двухканальный дифференциальный дискриминатор 5, схемы 6, 7 выбора окон, реверсивный счетчик 8 с предварительной установкой, сумматор 9, шины 10 установки кода числа, регистр 11, цифроаналоговый преобразователь 12, регулируемый источник 13 питания, шины 14, 15 "Запись", шину 16 "Пуск", ключи 17, 18, экран "Э".

Устройство работает следующим образом. С выхода детектора 3 импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна энергии детектируемого излучения, через усилитель 4 поступают на вход дифференциального дискриминатора 5. После дискриминатора импульсы через схемы 6 и 7 выбора окон и ключи 17, 18 подаются на входы прямого и обратного счета реверсивного счетчика 8. Схемы 6, 7 выбора окон обеспечивают проход импульсов, соответствующих левому и правому склону фотопика регистрируемого излучения. Пропорциональная разности интенсивностей счета в окнах цифровая информация с выхода интегратора (реверсивного счетчика 8) поступает на вход цифроаналогового преобразователя 12. Регулирующее напряжение с выхода преобразователя 12 через источник 13 питания изменяет коэффициент усиления спектрометрического тракта так, чтобы максимум фотопика находился на границе смежных амплитудных окон, что обеспечивает привязку спектрометрического тракта к фотопику опорного излучения.

Коррекцию положения информационного фотопика по отношению к реперному по предлагаемому способу осуществляют при помощи элементов 9, 10, 11, 14, 15, 16 и организации межэлементных связей, как показано на фиг. 2.

Величину и знак сигнала коррекции E определяют в период подготовки спектрометра к работе. Для этого на детектор 3 сначала подают излучение реперного 2, а затем исследуемого 1 источников. После установления устройства в равновесное состояние на одном из источников считывают среднее значение записанного в счетчике 8 числа. Разность n средних значений числе от реперного и исследуемого источников является числовой интерпретацией величины E, т.е. E соответствует n = n_p-n_x, где U_p и U_x - среднее значение показаний счетчика 8 при работе от реперного и исследуемого источников соответственно. Значение n выставляют на шинах 10 в коде чисел счетчика 8.

Каждый цикл измерения спектрометром состоит из двух частей: в период первой части цикла - на детектор подают излучение от реперного источника, в период второй части - от исследуемого.

Во время первой части цикла измерения излучение от исследуемого источника 1 перекрывают экраном "Э". По шине 16 "Пуск" на входы ключей 17, 18 подают сигнал разрешения счета. Время измерения реперного источника не должно быть меньше времени установления устройства в равновесное состояние. Перед окончанием измерения реперного источника по шине 15 "Запись" подают сигнал записи в регистр 11. Код числа счетчика 8, соответствующий положению на энергетической шкале реперного фотопика (реперный сигнал), переписывается на информационные выходы регистра и поступает на первую группу входов сумматора 9. Сумма реперного сигнала и числа n, установленного на шинах 10, с выхода сумматора поступит на входы предварительной установки счетчика 8.

Во время 2-й части цикла измерения на детектор 3 подают излучение от исследуемого источника 1, реперный источник в это время экранируют экраном "Э".

Перед второй частью цикла измерения по шине 14 "Запись" подают сигнал начальной установки в счетчик 8. Сумма чисел с выхода сумматора переписывается в интегратор. Одновременно по шине 16 "Пуск" подают сигнал запрета на входы ключей 17, 18. Счетные входы счетчика 8 блокируются от импульсов анализатора. Счетчик 8 не меняет своего положения весь период второй части цикла измерения. Преобразованный преобразователем 12 код суммарного числа с выхода счетчика 8 в регулирующее напряжение изменяет коэффициент усиления детектора так, что максимум фотопика от исследуемого источника устанавливается на границу между двумя выбранными смежными амплитудными окнами. Исследуемый фотопик занимает неизмененное положение в измерительном канале спектрометра в течение всего времени второй части цикла измерения.

В начале нового цикла измерения на детектор снова подают излучение от реперного источника. Входы счетчика 8 по шине "Пуск" деблокируют. Устройство стабилизации автоматически входит в состояние равновесия на реперном пике. Циклы измерений повторяются.

Если под действием каких-либо дестабилизирующих факторов положение реперного фотопика на энергетической шкале изменяется, то изменяется и положение информационного, т. к. записываемое в счетчике 8 для 2-й части цикла измерения число n = n_p+n, где n_p= f(U₀) от цикла к циклу измерения может принимать различные значения.

При интенсивностях информационных пиков, обеспечивающих номинальную чувствительность устройства, после записи суммы чисел счетные входы счетчика 8 на время 2-й части цикла измерения могут не блокироваться. В этом случае устройство стабилизации, искусственно выведенное в равновесное состояние на информационном фотопике, начинает работать как обычная дифференциальная система автостабилизации.

Предлагаемое устройство имеет повышенное быстродействие при переходе в работе от реперного к информационному фотопику.

Предложенный способ стабилизации испытан на нескольких макетах описанного устройства стабилизации и показал хорошие эксплуатационные характеристики.

Применение предлагаемого технического решения в малоканальных сцинтилляционных спектрометрах для измерения концентрации урана-235 в газообразном гексафториде урана позволит снизить нижний предел контролируемых концентраций урана-235 на 0,16 абс.%, снизить погрешность определения урана-235 в среднем по диапазонам измеряемых концентраций на 20%.

В предлагаемом устройстве стабилизации применены реверсивный счетчик с входами предварительной установки, регистр, сумматор, шины записи. Указанные устройства известны и находят применение в электронной технике.

Использование устройств и предлагаемых технических решений в способах, устройствах стабилизации энергетической шкалы спектрометров авторам не известно.

Формула изобретения

Способ стабилизации энергетической шкалы спектрометра, заключающийся в накоплении в интеграторе разности скоростей счета в цифровых окнах на склонах реперного пика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации энергетической шкалы спектрометра при изменении малых концентраций радиоактивных веществ, в интегратор вводят дополнительный сигнал коррекции, причем выбирают величину дополнительного сигнала, соответствующую разности положений на энергетической шкале реперного и информационного пиков, суммируют дополнительный сигнал с реперным сигналом, одна шина "Запись" подключена к входу разрешения записи регистра, вторая шина "Запись" - к цепи начальной установки реверсивного счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2