Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

НА ТЕМУ: Оптимизация и расчет быстродействующего канала гамма-датчика

Москва - 2013



ВВДЕНИЕ

В настоящее время ко многим конструкциям и изделиям ответственного назначения предъявляются повышенные требования, вследствие чего возникает необходимость проведения 100%-ного комплексного неразрушающего контроля.

Радиационный контроль - вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом.

В основе радиационного контроля лежит получение дефектоскопической информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохождение которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул среды. Радиационный неразрушающий контроль основан на использовании проникающих свойств ионизирующих излучений и является одним из наиболее эффективных и распространенных видов контроля. Преимущественная область применения радиационного контроля - дефектоскопия паяных и сварных соединений, литья, поковок, штампованных объектов и прочих изделий из металлов, их сплавов, пластмасс, керамики и т.д., а также толщинометрия стальных листов и металлических покрытий. В нефтегазовой отрасли применяется, прежде всего, для контроля сварных соединений магистральных и промысловых трубопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, сосудов под давлением и других объектов. Реализация данного вида контроля предусматривает использование как минимум трех основных элементов: источника ионизирующего излучения; объекта контроля; детектора, регистрирующего результаты взаимодействия ионизирующего излучения с объектом контроля [4].

С помощью радиационных методов контроля выявляются трещины, непровары, непропаи, включения, поры, подрезы и другие дефекты. Как правило, не требуется высокая чистота поверхности сварных швов и изделий, можно контролировать сравнительно большие толщины. Методы радиоскопии позволяют исследовать контролируемый объект непосредственно в момент его просвечивания. Поэтому сокращается до минимума характерный для радиографии разрыв во времени между началом контроля и моментом получения заключения о качестве контролируемого объекта. Благодаря малой инерционности радиоскопических систем объект можно контролировать под различными углами к направлению просвечивания, при этом повышается вероятность обнаружения дефектов и обеспечивается возможность контроля деталей и узлов как в эксплуатационных условиях, так и в условиях поточного производства.

Радиометрия характеризуется высокой чувствительностью, возможностью бесконтактного контроля движущихся объектов, высоким быстродействием электронной аппаратуры и позволяет получить количественную информацию об изделии. Основной недостаток радиометрии - ее интегрирующие свойства, т.е. одновременно регистрируются сигналы, как о дефектах, так и сопутствующие сигналы о каких-либо локальных изменениях толщины или плотности материала объекта. Кроме того, на величину полезного сигнала существенно влияет рассеянное излучение. При радиометрии чувствительность контроля сильно зависит от его производительности. Также к недостаткам радиационных методов необходимо, прежде всего, отнести вредность для человека, в связи с чем требуются специальные меры радиационной безопасности: экранирование, увеличение расстояния от источника излучения и ограничение времени пребывания оператора в опасной зоне. Кроме того, радиационным методам плохо выявляются несплошности малого раскрытия (трещины, непровары), расположенные под углом более 7… 12° к направлению просвечивания, метод малоэффективен для угловых швов [5].

В данной работе проводилось исследование быстродействующего канала гамма-дефектоскопа и исследование многоканальных схем. Целью данной работы являлось получение максимального быстродействия канала гамма - дефектоскопа для получения большего динамического диапазона. Это требуется для более точного выявления дефектов контролируемого объекта при значительном изменении толщины контролируемого слоя. Также проводились исследования многоканальных схем с целью их дальнейшего использования в работе гамма - датчика. Использование многоканальных схем позволит увеличить производительность работы гамма - датчика и позволяет определить глубину расположения дефекта. Все показания прибора считывались непосредственно с ФЭУ, в обход электрических схем. Это позволило обрабатывать результаты, не учитывая помех вызванных электроникой [12].

ГД используется для динамического контроля крупногабаритных изделий. С помощью него можно контролировать посторонние включения, наличие пор в контролируемом объекте. Так же ГД может использоваться в качестве контроля толщины исследуемого объекта. В экспериментах были использованы различные виды коллиматоров и пластиковые сцинтилляторы ПС-Н2 различной длины.

Использование многоканальных схем в ГД позволит увеличить площадь детектирования исследуемого объекта. Также многоканальные схемы позволят сопоставить каждому зафиксированному импульсу координату в исследуемом объекте, через который прошла заряженная частица и впоследствии была зафиксирована ГД.

В качестве аналога многоканальных схем взяты приборы, основанные на однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФэКТ) и позитронной эмиссионной томографии (ПэТ) (это описано в Главе №3 данной работы) [19]. дефектоскоп излучение сцинтилляционный счетчик

Все испытания проводились при содействии и под контролем научного руководителя Коровкина Дмитрия Юрьевича.



ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В экспериментальной ядерной физике широко применяются электронные методы, приборы и автоматизированные системы. Объясняется это тем, что в ядерных исследованиях изучаются быстро протекающие статистически распределенные во времени и пространстве события и обрабатываются очень большие объемы информации. Область электроники, связанную с ядерной физикой, обычно называют ядерной электроникой. История ее формирования охватывает последние три десятилетия. Она развивалась вместе с ядерной физикой, используя основные достижения радиотехники, радиоэлектроники и вычислительной техники и часто внося новое в эти области. Так, в экспериментальной ядерной физике появились впервые логические элементы -- схемы совпадений и антисовпадений, электронные счетчики, различные наносекундные устройства и др. Последние годы в ядерную электронику интенсивно внедряется микроэлектроника и автоматизация на базе вычислительной техники. Многие электронные методы и устройства, разработанные для ядерных исследований, применяют в других областях физики, в промышленности, геологии и нефтеразведке, космических исследованиях, химии, биологии и медицине и др.

1.1 ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Принцип действия различных типов детекторов излучений основан па физических явлениях, возникающих при взаимодействии ионизирующих излучений с веществом. В большинстве детекторов используется ионизация атомов и молекул, вызываемая частицами и квантами. На регистрации возникающих при этом свободных электронов и ионов основана работа таких детекторов, как импульсная ионизационная камера, пропорциональный счетчик, газоразрядные счетчики Гейгера, полупроводниковые детекторы. Ионизационные эффекты используются и в детекторах следов частиц (камера Вильсона, пузырьковые, пропорциональные и дрейфовые камеры). На регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами и молекулами, основаны сцинтилляционные детекторы, а также такие детекторы следов частиц, как твердая сцинтилляционная камера и искровые счетчики. В счетчиках Черенкова регистрируются световые вспышки, возникающие при прохождении быстрых частиц через прозрачную среду (при соблюдении определенных соотношений между скоростью частицы и показателем преломления среды). На выходе детекторов излучений возникают электрические сигналы (импульсы тока или напряжения), которые используются для определения интенсивности излучения или его спектрального состава. Необходимая информация извлекается из таких параметров: число зарегистрированных событий, амплитуда импульсов, их форма, временные корреляции между событиями и т. д. Регистрация и анализ событий выполняются электронными устройствами, подключенными к детекторам излучений. Поэтому очень важно сохранить и передать нужную информацию от детекторов регистрирующим и анализирующим устройствам. Несмотря на то, что типы детекторов различаются по принципу действия, все они выдают сравнительно слабые электрические сигналы малой длительности, статистически распределенные во времени. Эти сигналы необходимо усиливать и формировать. Кроме того, почти все детекторы -- это типичные датчики тока, для которых сила тока, поступающего в нагрузку, практически не зависит от сопротивления нагрузки. Основные характеристики детекторов для регистрации частиц и гамма - квантов даются в этом разделе. При этом главное внимание уделяется тем параметрам, которые характеризуют детекторы как датчики электрических сигналов для подключаемых к ним электронных устройств [18].



1.2 СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ И СЧЕТЧИКИ ЧЕРЕНКОВА

Работа сцинтилляционных счетчиков основана на регистрации и измерении вспышек света, возникающих в результате прохождения ионизирующей частицы через некоторые вещества, называемые сцинтилляторами. Кванты света возникают при переходах возбужденных молекул или атомов в основное состояние, при рекомбинации электрических зарядов и в других процессах. Сцинтилляторами могут быть твердые, жидкие и газообразные вещества. Время высвечивания сцинтилляторов Тс сравнительно мало. Так, у широко применяемых неорганических сцинтилляторов оно равно: Т,с = 0,3*10^-6 с для NaI(Tl) и Т,с = 0,7*10^-6 с для CsI(Tl). Меньшее время высвечивания имеют органические сцинтилляторы; для стильбена Tс = 7*10^-9 с, для терфенила Т,с = 2,4*10^-9 с. При этом время нарастания световой вспышки у некоторых неорганических веществ составляет доли наносекунд. Время высвечивания благородных газов также лежит в наносекундной области.

Интенсивность световых вспышек, как правило, очень мала, и для их регистрации применяют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) с большим коэффициентом усиления либо фотодиоды, сигналы которых усиливаются линейным усилителем. Чувствительность сцинтилляционного счетчика можно характеризовать энергией, необходимой для создания одного фотоэлектрона. Она значительно ниже, чем у полупроводниковых и газоразрядных детекторов, и составляет для неорганических сцинтилляторов около 0,7 кэВ; для органических сцинтилляторов энергия примерно в 3 раза больше.

Сцинтилляционные детекторы находят широкое применение в ядерной экспериментальной физике и технике, за счет их хороших спектрометрических характеристик и, главное, из-за очень высоких временных параметров, лежащих в наносекундной и пикосекундной областях [16].

Временные характеристики и форма сигнала. При прохождении ионизирующей частицы в сцинтилляторе возникают фотоны, которые выбивают из ФЭУ электроны; они многократно умножаются в результате вторичной эмиссии с динодов и достигают анода. Если время высвечивания сцинтиллятора значительно больше времени протекания процессов в ФЭУ, то ток в его анодной цепи пропорционален интенсивности световой вспышки и повторяет его форму. Это наблюдается при работе с медленными сцинтилляторами (Тс = 10^-6 - 10^-7 с), когда ФЭУ можно представить безынерционным прибором. Если же работа ведется с быстрыми сцинтилляторами (Тс = 10^-8 - 10^-9 с), то скорость некоторых процессов в умножителе надо учитывать.

Время выхода электронов из фотокатода и вторичных электронов из динодов достаточно мало -- не более 1 нс, и его можно не рассматривать. Суммарное время пролета между динодами для разных ФЭУ составляет 4--70 нс. При этом средний квадратичный разброс времени пролета составляет (0,2-1) нс, а время нарастания тока анода 0,5-3 нс. В результате сигнал на выходе ФЭУ задерживается относительно импульса света и его форма несколько изменяется.

Влияние параметров ФЭУ на выходной сигнал можно оценить, зная закон высвечивания сцинтиллятора, которому следует фотоэлектронная эмиссия. В общем случае число электронов, покидающих фотокатод, можно представить в виде:

n = N [ехр (- t/Тсп) - exp (- t/Tнар)]/(Tсп - Т нар) (1.1)

где N -- полное число фотоэлектронов, вылетающих в результате сцинтилляции; Тнар и Тсп -- постоянные, определяющие время нарастания и спада высвечивания, Тнар определяет время передачи энергии в веществе сцинтиллятора.

Например, в пластическом сцинтилляторе возникает задержка в начале процесса высвечивания, вызванная тем, что энергия должна перейти от растворителя к фосфору, а затем к сместителю спектра. Постоянная Тсп, как правило, больше Тнар; в неорганических сцинтилляторах вклад Тсп настолько велик, что Тнар можно пренебречь. Поэтому обычно сцинтилляционный процесс описывают одной или несколькими спадающими экспонентами, и изменение числа фотоэлектронов с катода можно приблизительно выразить в виде:

n = N*ехр(- t/Тcп)/Tсп (1.2)

После многократного умножения в цепи анода ФЭУ возникает импульс тока ia. Если предположить, что ФЭУ не вносит искажений в передачу сигнала сцинтилляции, то импульс тока можно записать в виде

iа (t) = I ехр( - t/Tc) (1.3)

где I--амплитудное значение анодного тока; Тс -- время высвечивания сцинтиллятора.

Реальный импульс тока на выходе ФЭУ задержан во времени относительно момента регистрации, и его форма несколько искажена. Последнее обстоятельство в основном вызвано тем, что отдельные электроны в ФЭУ проходят разные пути, а анодный ток меняется по вероятностному закону, определяемому геометрией электродов. Экспериментальные исследования показывают, что форма анодного тока, образованная одиночным фотоэлектроном, с некоторым приближением может быть аппроксимирована законом Гаусса. Этот вывод можно использовать для выяснения влияния параметров ФЭУ на передачу реального импульса сцинтилляции. Для этого определяется форма выходного импульса, при условии, что сцинтилляционный сигнал описывается выражением (1.3), а ФЭУ имеет разные времена пролета Тпр при постоянном размытии. Зависимость формы выходного импульса для различных отношений Тпр/Тс, построенная в предположении, что полное число электронов, эмитированных в результате сцинтилляции, во всех случаях одинаково. Из нее следует, что с уменьшением Тпр, определяемого ФЭУ, форма импульса тока улучшается. Заметим, что неискаженная передача переднего фронта импульса особенно важна для временных исследований.

Большинство сцинтилляторов имеют, помимо основного быстрого компонента высвечивания, несколько более медленных компонент, и спад импульса анодного тока умножителя можно представить в виде суммы нескольких экспонент с различными постоянными времени. В целом форма импульса тока определяется видом регистрируемого излучения. Различие в форме импульсов тока используется для идентификации частиц.

Отличительная особенность сцинтилляционных счетчиков - наличие шумовых импульсов, возникающих на выходе ФЭУ. Они образуются в результате умножения тепловых электронов, эмитируемых фотокатодом.

Помимо ФЭУ в сцинтилляционных и позиционных детекторах иногда применяют канальные электронные умножители (КЭУ) и микроканальные пластины (МКП). Умножители этого типа рассчитаны на непосредственную регистрацию частиц, поэтому в сцинтилляционном детекторе они дополняются фотокатодом.

Параметры счетчиков Черенкова. Для регистрации быстрых заряженных частиц используются черенковские счетчики, основанные на регистрации излучения Вавилова - Черенкова это излучение возникает в том случае, когда скорость частицы больше фазовой скорости света в некоторой среде. Детектор состоит из радиатора, заполненного газом, жидкостью или прозрачной пластмассой, являющейся средой, в которой возникает излучение, и ФЭУ, конвертирующего вспышки света в импульсы тока.

Отличительная особенность излучения Вавилова-Черенкова - очень малая его длительность, лежащая в субнаносекундном диапазоне. В зависимости от конструкции детектора, размеров радиатора, наличия фокусирующих устройств и их типа реальная длительность излучения составляет 10^-9 -10^-8 с. Естественно, что для регистрации столь кратковременных световых вспышек используются ФЭУ с высокими временными характеристиками.

Сцинтилляционные детекторы с фотодиодами. С появлением достаточно чувствительных фотодиодов с большой рабочей площадью на них иногда стали выполнять сцинтилляционные счетчики. Фотодиоды в отличие от ФЭУ не задерживают сигнал, при этом время нарастания сигнала достаточно мало - не превышает 15 нс. Их межэлектродная емкость такая же, как выходная емкость ФЭУ, т. е. около 10 пФ. Однако световая чувствительность фотодиодов низка, примерно 100 мкА/лм, в то время как у ФЭУ она составляет в зависимости от числа динодов 100-1000 А/лм.

Поэтому в сцинтилляционном детекторе к фотодиоду подключается линейный усилитель. В данном случае фотодиод как бы заменяет фотокатод, а усилитель - умножительную часть ФЭУ. Усилитель должен обладать высоким коэффициентом усиления, малыми шумами и обеспечивать передачу быстро нарастающих сигналов. Лучше всего для этих целей подходят усилители с обратной связью по заряду.

Исследование и сравнение сцинтилляционных детекторов с фотодиодами и с ФЭУ показывает, что при очень малых уровнях освещенности детекторы с фотодиодами имеют худшее отношение сигнала к шуму. Заметим, что возможно компромиссное решение, при котором вместо фотодиода применяется ФЭУ с малым числом динодов, подключенный к усилителю с необходимым коэффициентом усиления. В этом случае упрощается усилитель и для питания умножителя требуется источник с пониженным напряжением. Кроме того, из-за применения малодинодного ФЭУ повышается стабильность усилительного тракта всего умножителя, требуется источник с пониженным напряжением. Кроме того, из- за применения малодинодного ФЭУ повышается стабильность усилительного тракта всего детектора [23].

1.3 Цифровая регистрация событий характеристики регистрирующих устройств

1.3.1 ЗАДАЧИ РЕГИСТРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Регистрируемые при помощи детекторов излучений события, как правило, имеют статистический характер, поэтому в ядерной физике при различных измерениях для уменьшения вероятной ошибки производят подсчет большого числа событий. В простейших измерениях подсчитывают все импульсы, возникающие на нагрузке детектора; в более сложных спектрометрических исследованиях определяют число импульсов, имеющих определенную амплитуду либо возникающих в заданные интервалы времени и т. п. В экспериментальной ядерной физике чаще всего определяют абсолютное число событий. В этом случае легко вычитать фон и обрабатывать результаты на ЭВМ. Для измерения числа событий широко применяют электронную регистрирующую аппаратуру -- счетчики и запоминающие устройства. С электронных счетчиков информация может быть передана на цифропечатающие, перфорирующие устройства или в ЭВМ для хранения и обработки. Запоминающие устройства обычно используют в сложных многоканальных спектрометрических приборах - анализаторах; они могут работать в качестве многоканальных счетчиков-регистраторов или как накопители для хранения кодов событий. В дозиметрических приборах, а также в промышленных установках- на реакторах, в геолого- и нефтеразведке часто необходимо измерять скорость счета, т. е. определять среднее число событий в единицу времени. Для этой цели применяют измерители скорости счета - интенсиметры, показания которых считываются со шкалы электрического прибора или вычерчиваются самописцем. В более сложных приборах предусмотрен цифровой вывод данных [21].

1.3.2 РАЗРЕШАЮЩЕЕ ВРЕМЯ И ПОГРЕШНОСТИ СЧЕТА ПРОСТЫХ РЕГИСТРАТОРОВ

На регистрирующие устройства информация поступает в виде электрических импульсов или кодов определенных параметров событий. Исследуемые события, как правило, распределены во времени статистически, поэтому импульсы или коды поступают на регистрирующие устройства также по случайному закону. Любому регистрирующему устройству необходимо некоторое время ф, чтобы зарегистрировать событие и “подготовиться” к приему нового, поэтому всегда есть вероятность того, что часть событий будет потеряна. В этом можно убедиться, анализируя закон распределения интервалов между статистически распределенными импульсами. Время ф называют временем разрешения (разрешающим временем) или мертвым временем; оно определяется как минимальный интервал времени, после которого возможна новая регистрация.

Время разрешения - очень важный параметр счетных устройств и в итоге определяет потерю информации. Кроме того, время разрешения может иметь разный характер, например, зависеть от загрузки, поэтому его следует рассматривать для конкретных регистрирующих устройств.

Влияние времени разрешения на погрешности счета рассмотрим на примере простых регистраторов, в состав которых не входят электронные счетчики или пересчетные схемы. Простые регистраторы обычно комплектуются механическими счетчиками. Механический счетчик - электромеханическое устройство, состоящее из электромагнита с сердечником, к которому во время протекания по обмотке тока притягивается якорь. Последний входит в зацепление с зубчатым колесом, поворачивающимся на определенный угол. Зубчатое колесо связано с несколькими шестернями, на осях которых закреплены стрелки. По шкалам ведется отсчет единиц, десятков, сотен и тысяч зарегистрированных импульсов. Иногда применяют другие конструкции механических счетчиков.

Для управления механическим счетчиком требуется импульс тока определенной величины и длительности. Если обмотки электромагнита рассчитаны на управление от транзисторных схем, то необходим ток порядка нескольких ампер. Длительность импульсов тока определяется значительной инерционностью деталей механизма и составляет несколько миллисекунд [21].

Управляющие схемы для механических регистраторов обычно состоят из двух частей: первая - времязадающая часть - вырабатывает импульс определенной длительности ф, вторая - является усилителем тока. В качестве времязадающего генератора обычно используют схему одновибратора; усилитель тока выполняют на достаточно сильноточном транзисторе. Схема времязадающего генератора рассчитана на минимальное время восстановления, что важно для получения хорошего разрешения всего регистрирующего устройства.

Разрешающее время управляющей электронной схемы и разрешающее время механического счетчика различны. В зависимости от соотношения между этими временами погрешности счета имеют разный характер.

Система с постоянным временем разрешения. Время разрешения управляющей схемы ф, как правило, больше времени разрешения механического регистратора ф_р.

Это условие легко выполнить в схемах с времязадающим генератором. Выбор такого соотношения позволяет исключить из рассмотрения времени разрешения регистратора ф_р, которое, может увеличиваться с ростом частоты поступающих сигналов. В данном случае время разрешения ф всей системы постоянно. Такую систему называют системой первого рода или системой с постоянным временем разрешения. Определим истинное число импульсов n₀, поступивших в единицу времени, в функции от числа зарегистрированных за то же время импульсов n.

Отсюда:

n=n₀/(1+ фn₀) (1.4)

n₀=n/(1-nф) (1.5)

Выражение (1.4) показывает, что с ростом числа импульсов на входе просчеты увеличиваются: при достаточно большом числе входных импульсов наступает ?насыщение? - регистратор считает постоянное число импульсов в секунду 1/ф. На практике удобно пользоваться величиной относительных просчетов

з = (n₀ -- n)/n. (1.6)

Используя выражение (1.5), можно записать

з ? n₀ф. (1.7)

В простых регистрирующих устройствах, не содержащих пересчетных схем, практически всегда необходимо учитывать просчеты, так как время разрешения механического регистратора ф_p велико и соответственно время разрешения управляющей схемы ф приходится выбирать не менее 10^-2 с. Поэтому просчеты более 1% наступают уже при поступлении на вход нескольких импульсов в 1 с. Для правильного введения поправок необходимо с достаточной точностью знать величину ф. Она может быть определена электронным способом, например при помощи генератора сдвоенных импульсов.

Система с продлевающимся временем разрешения. Наряду с рассмотренной системой с постоянным временем разрешения возможна система второго рода, так называемая система с продлевающимся временем разрешения, когда ф<ф_р. В этом случае в обмотку электромагнита регистратора может поступить импульс тока до того, как якорь вернется в исходное положение поэтому происходит как бы продление времени разрешения регистратора, а следовательно, и времени разрешения всей системы в целом. При достаточно большой частоте поступления импульсов якорь регистратора просто ?прилипает? к электромагниту и счет прекращается. Определим, сколько импульсов в единицу времени будет сосчитывать система с продлевающимся временем разрешения, если на вход поступает за то же время n₀ импульсов. Вероятность того, что произошел отсчет в некотором малом интервале dt, равна ndt. В интервал ф_р, предшествующий dt, не должно поступить ни одного импульса [21]. Вероятность последнего события находят по закону Пуассона, она равна:

ехр(-nф_р), поэтому можно записать:

ndt = (n₀dt) ехр (- n₀ф_p), (1.8)

n = n₀ ехр (- n₀ф_p). (1.9)

Зависимость для системы с продлевающимся временем разрешения имеет максимум при n₀ = 1 /ф_p, а при достаточно большом n система, как уже указывалось, перестает считать.

Время разрешения регистратора ф_р можно определить экспериментально. Для этого источник радиации приближают к детектору до получения максимальных отсчетов. Для сравнения систем с постоянным и продлевающимся временем разрешения приведены универсальные счетные характеристики nф = f (n₀ф). Чтобы уменьшить погрешности счета, перед простыми регистраторами с механическими счетчиками включают электронные редукторы и пересчетные схемы [21].



1.4 Перспективы развития детекторов

Развитие науки и техники непрерывно связано с созданием и совершенствованием измерительной техники и методов измерений. Особенно велика роль измерительной техники в ядерной физике и атомной технике. Каждый новый этап в развитии ядерной физики сопровождается усовершенствованием старых и созданием новых методов и приборов для регистрации и исследования ионизирующих излучений. В конце 50-х годов в СССР был разработан промышленный многоканальный анализатор АИ-100. Предпосылки для совершенствования анализатора возникли с появлением полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, стабилитронов. Первые образцы промышленных отечественных приборов (в частности, гамма - спектрометров - приборов для исследования энергетического распределения гамма - линий) выпущены в 1956 - 1958 гг. На данный момент, гамма - спектрометры представляют довольно сложные устройства, сосредоточившие накопленный опыт в микроэлектронике и вычислительной технике, базирующиеся на программируемых логических интегральных схемах, и содержащие быстродействующие спектрометрические детекторы. Следует отметить, что если на начальной стадии развития гамма- спектрометры создавались отдельными специалистами, то сейчас их разработка требует коллективных усилий групп специалистов - физиков, инженеров по электронике, конструкторов и технологов.

Самыми распространенными типами гамма - спектрометров являются сцинтилляционный и полупроводниковый гамма - спектрометры [7].

1.4.1 Сцинтилляционные блоки детектирования

В России основным поставщиком неорганических монокристаллов для производства сцинтилляционных детекторов являются г. Усолье - Сибирское, Иркутской области и г. Новосибирск, на Украине - г. Харьков.

Наряду с совершенствованием технологии изготовления классических сцинтилляторов в последние годы велись работы по использованию новых видов неорганических сцинтилляторов, позволяющих более эффективно решать отдельные задачи.

Наибольшей плотностью из неорганических сцинтилляторов обладают детекторы из кадмия CdWO4, поэтому из них можно изготовить детекторы маленьких геометрических размеров. При этом сцинтилляционная эффективность CdWO4 составляет от 30% до 50% от NaI(Tl).

В последнее время появился новый вид сцинтилляторов на основе ортоаллюмината иттрия легированного церием YAlO₃(Ce). По своим характеристикам он близок к CsI(Tl), но со значительно большим быстродействием.

В тех случаях, когда ограничен объем детектора гамма-излучения большой интерес вызывают сцинтилляторы, обладающие большой плотностью и позволяющие повысить эффективность регистрации гамма - излучения. Один из таких сцинтилляторов -ортогермант висмута Be₄G₃O₁₂ (BGO). Кристаллы BGO обладают по сравнению с NaI(Tl), более высокой поглощающей способностью, что позволяет снизить объем детектора на порядок. Кроме того, этот сцинтиллятор имеет малую чувствительность к нейтронам, что оказывается удобным при измерении гамма-излучения в смешанных полях. При изготовлении кристаллов BGO не возникает проблем равномерного распределения активатора для хорошей равномерности. Существенный недостаток этого сцинтиллятора - низкий световой выход. Улучшение технологии и получение чистого сырья позволили для кристаллов BGO с диаметром 25 мм и высотой 2,5 мм улучшить энергетическое разрешение с 15 до 9,5%.

Наконец, для многих неорганических сцинтилляторов, и в частности для NaJ(Tl), свойственно послесвечение - наличие долговременного компонента высвечивания; кристаллы BGO обладают минимальным послесвечением. Хотя, надо отметить ряд недостатков кристаллов BGO по сравнению с другими типами сцинтилляторов:

- относительно невысокое разрешение, что создает определенные сложности при обработке получаемых гамма-спектров;

- большая дополнительная температурная погрешность (-1,2 %/оС), что также требует применения более сложных алгоритмов при обработке спектров.

Еще один из перспективных сцинтилляционных материалов - LYSO (Lu1,8Y0,2SiO5:Ce). Этот материал имеет сходные с BGO характеристики по энергетическому разрешению (от 7% до 11% на энергии 662 кэВ). Плотность и эффективный атомный номер кристаллов LYSO также близки к характеристикам кристаллов BGO и, соответственно, кристаллы LYSO имеют близкую, хотя и несколько большую, эффективность регистрации с кристаллами BGO. Отличительной особенностью кристаллов LYSO по сравнению с NaJ(Tl) и BGO является существенно меньший температурный коэффициент светового выхода (0,04%/°С), что является важным при использовании в гамма-спектрометрах, работающих в разных условиях окружающей среды, поскольку позволяет получить гораздо более стабильную энергетическую шкалу системы. Основным преимуществом кристаллов LYSO по сравнению с традиционными кристаллами NaJ(Tl) и BGO является существенно меньшая постоянная времени спада светового импульса - 40 нс по сравнению с 250 и 300 нс, соответственно. Это позволяет сформировать более короткий импульс на выходе детектора. Основной недостаток кристаллов LYSO - высокая собственная радиоактивность, обусловленная изотопом Lu-176.

При использовании кристалла LYSO удалось сформировать сигнал длительностью 120 нс, что позволило получить гораздо более производительные спектрометрические тракты ГП «Грин Стар» с использованием DL - преобразователя, способные работать до входных загрузок 10⁷ имп/с, и имеющие пропускную способность около 1,5.10⁶ имп/с.

При использовании кристалла BGO пропускная способность спектрометрического тракта около 3,5.10⁵ имп/с.

Наименьшая длительность сцинтилляций в неорганических кристаллах была получена с детекторами из фторида бария BaF₂. Быстрый компонент сцинтилляции позволяет получить временное разрешение во времяпролетной методе в 4 - 5 раза лучше, чем NaI(Tl), и приближающееся к значениям, достигаемым с пластическими сцинтилляторами.

В 2001 г. корпорацией Saint-Gobain (Франция) была запатентована (международные патенты WO 01/60944, WO 01/60945) новая группа сцинтилляционных кристаллов - галогениды лантана легированные церием LaBr₃(Ce) и LaCl₃(Ce). При световыходе сравнимом со световыходом NaI(Tl), данные кристаллы обладают гораздо более высоким энергетическим разрешением и коротким временем высвечивания, что привлекает к ним большой интерес. Однако трудности, связанные с характерным радиоактивным загрязнением месторождений лантаноидов и сильной анизотропией температурного коэффициента линейного расширения, приводят к сложным технологиям и высокой стоимости продукции.

Для бромида лантана среднее энергетическое разрешение для 662 кэВ изотопа 137Cs составляет ~3,2% и световыход превышающий световыход NaI(Tl).

На базе кристаллов LaBr₃(Ce) производятся блоки детектирования, обладающие уникальными свойствами для класса сцинтилляционных детекторов:

- Энергетическое разрешение для энергии гамма-излучения 662 кэВ от 2,5 % до 3,5%. Для кристалла NaI(Tl) аналогичного размера при тех же условиях, разрешение составляет не менее 6 %.

- Более высокая эффективность регистрации чем у детектора с аналогичными размерами кристалла NaI(Tl);

-Высокая температурная стабильность характеристики преобразования, обеспечиваемая уникально низким температурным коэффициентом световыхода сцинтилляционного материала.

Приведенные преимущества блоков детектирования на базе кристаллов LaBr₃(Ce), позволяют качественно улучшить потребительские свойства гамма - спектрометров на их основе.

В частности:

- блок детектирования на основе LaBr₃(Ce) позволят уверенно анализировать образцы со сложными спектрами гамма-излучателей;

- высокое разрешение напрямую ведет к улучшению качества идентификации радионуклидов в исследуемых образцах;

- значения минимально измеряемой активности, за идентичные интервалы времени, уменьшаются и как следствие уменьшаются времена измерения образцов для достижения требуемого результата;

- высокая температурная стабильность устройств детектирования позволяет эффективно применять их при тяжелых температурных воздействиях внешней среды [7].

Использование блоков детектирования на основе кристаллов LaBr₃(Ce), позволит качественно улучшить парк приборов сцинтилляционной гамма - спектрометрии России.

В рамках работы ОАО «НИИТФА» был разработан макет радиометрической консоли (гамма - датчик) для контроля монолитности сложно - профильных изделий (шифр «Дискант-Д»), составленный с учетом требований ГОСТ 16504-81. Для более точного изменения толщины и плотности в контролируемом объекте требуется обеспечить большой динамический диапазон. Это достигается путем подбора сцинтиллятора с малым временем высвечивания. Также требуется использовать быстродействующий ФЭУ и соответствующие электрические схемы. Исходя из этого, был использован пластиковый сцинтиллятор ПС-Н2 и ФЭУ R980. В ходе данной работы были проведены соответствующие эксперименты с целью увеличения динамического диапазона.



ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БЫСТРОДЕЙСТ- ВУЮЩЕГО КАНАЛА ГАММА - ДЕФЕКТОСКОПА

2.1 Используемая аппаратура

1) Цифровой осциллограф LeCroy Wave Surfer 400 МГц.

· Стандартное время захвата сигнала 250 мкс при МАХ частоте дискретизации

· Максимальное время захвата сигнала (при использовании опции расширения памяти) 1 мс при МАХ частоте дискретизации

· Вертикальное разрешение АЦП 8 бит (до 11 в режиме ERES)

· Режим аналогового послесвечения с цветовым и яркостным выделением изменений сигнала

· Курсорные и авто- измерения (22 параметра), одновременная индикация до 6 параметров

· Растяжка (ZOOM)

· Функции математики (4); 1 функция одновременно

· Быстрое преобразование Фурье (БПФ)

· USB интерфейс на передней панели (всего 3)

· Расширенные возможности для подключения и передачи данных по компьютерным сетям, выводу информации <<на печать>>, сохранению документов (файлов) и реализации других соединений

· Русскоязычный пользовательский интерфейс

· Цветной ЖК-дисплей 26,4 см, сенсорный экран, SVGA 800х600

· 4 канала (2 канала WS 422, 432, 452)

· Время нарастания 2, 1, 15, 0,8 нс

· Частота дискретизации 1 Гвыб/с/канн; 2 Гвыб/с при объединении каналов (эквив 50 Гвыб/с)

· Расширенная система синхронизации (опция)

· Объем памяти 250 К/1 канал (500 К при объединении каналов), расширение до 1 М (2 М при объединении каналов (опция))

2) Высоковольтный блок питания C4900-01

3) Фотоэлектронный умножитель R980

4) Защитный экран E989-03

· Диаметр ФЭУ - 28мм лобового типа

· Внутренний диаметр - 32 + / - 0,5 мм

· Толщина - 0,8 мм

· Длина - 120 + / - 1 мм

· Вес - 90 г

5) Масло иммерсионное

Для обеспечения оптического соединения сцинтиллятора ПС-Н2 с ФЭУ R980 используется иммерсионное масло.

· Показатель преломления: n_d = 1.515±0.002

· n_g - n_c = 0.0106±0.0003

· Температура: t° 20° C±2°

2.2 Исследование ВАХ СБ ГД РДК

2.2.1 Определение влияния на ВАХ объема сцинтиллятора без использования коллиматора

На данном этапе работы проводились исследования с использованием источника ОСГИ Cs-137 и сцинтилляторов ПС-Н2 без использования коллиматора. Все испытания проводились на одном расстоянии от центра сцинтиллятора до источника, которое составляет 640мм.

Исследования проводились для сцинтилляторов различной длины L=50, 100, 200мм.



2.2.2 Определение влияния на ВАХ объема сцинтиллятора с использованием коллиматора

В данном разделе представлены результаты исследований с использованием источника ОСГИ Cs-137 и сцинтилляторов ПС-Н2 с использованием круглой коллимационной головки с диаметром отверстия d=18мм [1]. Все испытания проводились на одном расстоянии от центра сцинтиллятора до источника, которое составляет 640мм.

Исследования проводились для сцинтилляторов различной длины L=50, 100, 200мм.

2.3 Определение влияния на ВАХ материалов отражателя

2.3.1 Определение влияния на ВАХ материалов отражателя без использования коллиматора

В качестве отражателя были использованы: алюминиевая фольга, белая писчая бумага SvetoCopy, черная фотобумага, фум-лента. Влияние отражателей проверялось для всех длин имеющихся сцинтилляторов L=50, 100, 200мм без коллиматора. Источник ОСГИ Cs-137 находился на одинаковом расстоянии от центра сцинтилляторов 640мм.

Таблица 2.1 Влияния на ВАХ материалов отражателя без использования коллиматора для сцинтиллятора ПС-Н2 длиной L=50мм

Характеристики	Сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=50 мм Без коллиматора
	Без отражателя	фольга	белая писчая бумага	черная фотобумага	фум-лента
Длительность импульса на 50% амплитуды tmin, нс	-4.2	-2	-5	-2.2	-2.1
Длительность импульса на 50% амплитуды tmах, нс	91.5	27.2	79.5	54.2	72.4
Длительность импульса на 50% амплитуды tmеаn, нс	7.8	9.2	9	8.5	9
Длительность импульса на 10% амплитуды tmean, нс	25.9	30.5	29.9	28.2	29.9

2.3.2 Определение влияния на ВАХ материалов отражателя с использованием коллиматора

В качестве отражателя были использованы: алюминиевая фольга, белая писчая бумага SvetoCopy, черная фотобумага, фум-лента. Влияние отражателей проверялось для всех длин имеющихся сцинтилляторов L=50, 100, 200мм с использованием коллимационной головки с диаметром отверстия d=18мм. Источник ОСГИ Cs-137 находился на одинаковом расстоянии от центра сцинтилляторов 640мм.

2.4 Определение влияния на ВАХ формы и площади окна коллимационной головки

2.4.1 Определение влияния на ВАХ формы коллимационной головки

В данном разделе проводились исследования влияния на ВАХ формы коллимационной головки. Для этого использовались два коллиматора с отверстиями круглой и квадратной формы соответственно. Площади отверстий у данных коллиматоров приблизительно равны. Они составляют S=254.34мм² (для коллиматора с круглым отверстием диаметр которого составляет d=18мм) и S=282.24мм² (для коллиматора с квадратным отверстием сторона которого составляет а=16.8мм). Испытания поводились для сцинтиллятора ПС-Н2 длинной L=100мм, без использования отражателей, и на одном расстоянии, между серединой сцинтиллятора и источника ОСГИ Cs-137, равном 640мм [22].



2.4.2 Определение влияния на ВАХ площади окна коллимационной головки

На данном этапе работы были проведены исследования с целью определения влияния на ВАХ площади окна коллимационной головки. Испытания проводились с использованием трех коллимационных головок с окнами квадратной формы [20]. Площадь отверстий составляет S=900мм² (для длинны стороны a=30мм), S=400мм² (для длинны стороны a=20мм) и S=282.24мм² (для длинны стороны a=16.8мм). На протяжении испытаний использовался сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=100мм без отражателя. Испытания проводились на одинаковом расстоянии от центра сцинтиллятора до источника ОСГИ Cs-137, которое составляет 640мм.

Для контроля сложно - профильных изделий можно использовать одноканальные или двухканальные датчики. Но это будет требовать сложного движения сканирующего устройства по площади контролируемого объекта. Использование многоканальных схем позволит увеличить производительность контроля объектов и при этом позволит упростить ход движения сканирующего устройства. Также использование многоканальных схем позволит определять координату места попадания г - кванта, что позволит более точно определить место нахождения дефекта. Использование многоканальных схем, принцип их работы и устройство описано в главе № 3 данной работы.



ГЛАВА 3. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД

3.1 ОДНОМЕРНЫЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД

При построении сцинтилляционных позиционно-чувствительных детекторов (СПЧД) используют метод разделения светового потока, обусловленного сцинтилляцией, а коллекторами служат фотокатоды ФЭУ. Чаще всего СПЧД применяют для регистрации г-квантов, а в качестве сцинтилляторов в них используют кристаллы NaI(Tl).

Дискретные СПЧД используют для определения как координаты места попадания г-кванта в детектор, так и глубины проникновения кванта до его взаимодействия с веществом детектора.

В первом случае СПЧД содержат расположенные в ряд монокристаллы NaI(Tl) относительно малого диаметра, оптически изолированные друг от друга и связанные с фотоумножителями. Каждый сцинтиллятор может быть подсоединен к автономному ФЭУ. Однако чтобы сократить число ФЭУ, целесообразно использовать матричное кодирование номера сцинтиллятора, с которым взаимодействует г-квант, и координату определять по номеру строки i и номеру столбца j. Для этого к каждому монокристаллу подсоединяют по два плексигласовых световода; световоды, подходящие ко всем сцинтилляторам каждой строки, соединяют со своим ФЭУ, а световоды, подходящие ко всем сцинтилляторам каждого столба, -- со своим. Таким образом, номера пары одновременно сработавших ФЭУ определяют кристалл, в котором произошла сцинтилляция.

Пространственное разрешение такого СПЧД определяется диаметром монокристаллов d_cц и для его улучшения необходимо уменьшать величину d_cц. Однако при этом возрастает число ФЭУ, световодов, объем электронного оборудования. Кроме того, когда пробег фотоэлектрона, образованного г-квантом, становится соизмеримым с диаметром d_сц, сцинтиллятору все чаще будет передаваться не вся энергия г-кванта Е_г и при наличии амплитудного отбора будет снижаться эффективность регистрации г-излучения [например, для E_в = 0,5 МэВ пробег электронов в NaI(Tl) близок к 0.7 мм]. Поэтому нецелесообразно использовать СПЧД с d_cц<5 мм. Из-за того что в световодах световой поток значительно ослабляется, причем по-разному для различных сцинтилляторов, дисперсия получаемого амплитудного распределения сигналов оказывается довольно большой. Для этих детекторов характерна неоднородность чувствительности, обусловленная разбросом диаметров сцинтилляторов d_сц и разбросом коэффициента умножения разных ФЭУ.

СПЧД, определяющие глубину проникновения г-кванта, состоят из нескольких оптически изолированных друг от друга шайб сцинтиллятора, которые с торцов через световоды соединены с ФЭУ [8].

Аналоговые СПЧД могут быть построены на основе разных методов выделения позиционной информации и содержать два и более ФЭУ. Чаще всего в одномерных аналоговых СПЧД используют временной метод выделения координаты места взаимодействия со сцинтиллятором г-кванта или нейтрона. Такие детекторы содержат сцинтиллятор в форме параллелепипеда длиной L, «просматриваемый» с двух противоположных торцов фотоумножителями. Измеряется разность во времени моментов появления анодных импульсов ФЭУ Дt, которая при эффективной скорости распространения светового сигнала в сцинтилляторе V_эф и расстоянии места световой вспышки от середины сцинтиллятора х равна 2х/V_эф, т. е. пропорциональна искомой координате [3].

В большинстве случаев в таких СПЧД применяют твердотельные сцинтилляторы на основе полистирола или поливинилтолуола с добавлением р-терфинила и РОРОР. Типичная длина сцинтиллятора L = 0,4-0,5 м, а его сечение 60X10 мм² [15,3]. Однако применяют и жидкие сцинтилляторы, такие как толуол с добавками 3 г/л р-терфинила и 100 мг/л РОРОР или 33 мг/л дистрилбифенола [13]. Жидкие сцинтилляторы могут быть большой длины, они дешевы, просты в изготовлении, обладают высокой прозрачностью. Проведенные измерения показывают, что скорость V_эф в зависимости от задания порога дискриминации лежит в пределах от 0,4*10¹⁰ до 6*10¹⁰ см/с [14], поэтому для достижения позиционного разрешения около 1 см необходимо выделять разницу времени Дt=0,1 нс. Реально, даже для лучших фотоумножителей (типа ФЭУ-85 и ФЭУ-87), значения Дt на порядок большие, и было получено позиционное разрешение таких СПЧД от 3 до 5 см.

Другой метод основан на определении координаты по отношению сигналов двух ФЭУ, расположенных у противоположных краев сцинтиллятора. В этом случае СПЧД содержит узкий сцинтиллятор длиной L, на торцах которого размещены два ФЭУ; L= 400-600 мм. Поскольку кристалл NaI(Tl) такой длины получить трудно, обычно используют составной сцинтиллятор, который состоит из нескольких десятков монокристаллов диаметром 40-50 мм и высотой 10-15 мм, притертых торцами друг к другу [4,9].

Метод построения одномерных СПЧД, также содержащих два ФЭУ, основан на восприятии этими умножителями светового потока, выходящего из основной поверхности сцинтиллятора показана конструкция такого детектора нейтронов со сцинтиллятором площадью 63x10 мм и световодом, соединяющим сцинтиллятор с фотокатодами [5]. Соотношение сигналов на выходах ФЭУ U₁ и U₂ однозначно связано с координатой сцинтилляции х, и значение х может быть вычислено, если известно отношение U₁/(U₁+U₂).

Одномерные аналоговые СПЧД могут содержать также несколько ФЭУ (более двух), расположенных рядом друг с другом у торцевой поверхности, параллельной основной поверхности сцинтиллятора. Эти детекторы представляют собой одномерные варианты двухмерных СПЧД.

3.2 ДВУХМЕРНЫЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД

Двухмерные СПЧД дискретного типа сходны с аналогичными одномерными детекторами и также содержат множество оптически изолированных монокристаллов NaI(Tl) относительно малого размера. Однако кристаллы в двухмерных устройствах размещены не в ряд, а образуют мозаику, перекрывающую некоторую площадь. Приборы с такими детекторами называют автофлуороскопами. Типичный дискретный двухмерный СПЧД, описанный в работе, состоит из 260 плотно упакованных кристаллов NaI(Tl) диаметром 9,6 мм и высотой 50,8 мм, образующих матрицу с 20 строками и 13 столбцами (размеры активной поверхности детектора 200Х130 мм). Координаты сцинтилляций определяют с помощью 33 ФЭУ, соединенных с кристаллами через плексигласовые световоды. Каждый из 20 ФЭУ строк соединен через световоды со всеми кристаллами данной строки, а каждый из 13 ФЭУ столбцов - со всеми кристаллами данного столбца; следовательно, к каждому кристаллу подходят два световода - столбца и строки.

На двухмерные СПЧД распространяются все ограничения по пространственному разрешению и неоднородности чувствительности, характерные для одномерных устройств. В то же время у СПЧД дискретного типа отсутствует координатная нелинейность.

СПЧД аналогового типа с линейным суммированием сигнала представляет один из двух наиболее распространенных двухмерных СПЧД. Он содержит монокристалл NaI(Tl) большой площади (диаметром D_сц и высотой h_сц), находящийся в оптическом контакте с системой фотоумножителей. Когда в точке кристалла с координатами х, у возникает сцинтилляция, ФЭУ генерирует импульсы, амплитуды которых линейно суммируются, и вырабатываются координатные сигналы U_х и U_у пропорциональные значениям х и у.

В литературе описаны как детекторы и выполненная на них аппаратура [1, 42], так и теория, направленная на оптимизацию основных характеристик СПЧД этого типа (интегральной чувствительности, позиционной нелинейности, пространственного разрешения) [26,2]. Рассмотрим работу СПЧД без математического описания происходящих процессов и условий оптимизации.

Предполагается (и это хорошо согласуется с полученными результатами), что в системе световой поток от точки сцинтилляций к границе световод -- фотокатоды ФЭУ распространяется изотропно и, следовательно, амплитуда сигнала, генерируемого в выходной цепи каждого ФЭУ, пропорциональна телесному углу щ_i, под которым фотокатод «виден» из той точки, где произошла сцинтилляция. Для того чтобы получить достаточно хорошие характеристики детектора, ФЭУ должны просматривать максимальный телесный угол ?щ_i, т. е. упаковка ФЭУ должна быть по возможности более плотной. Этому требованию можно удовлетворить, если выполнить из фотокатодов гексагональную мозаичную систему, для чего число ФЭУ должно принимать одно из значений в ряду N=1 + 3 n (n+1), где n = 1, 2, 3, 4 ..., т. е. N может быть равным 7, 19, 37, 61 и т. д. В реальных устройствах используют обычно N=19.

Сигналы с выходов ФЭУ поступают на узлы линейного суммирования, вырабатывающие координатные сигналы

U_y=k?f_yi q_i,

где q_i -- заряд, генерируемый i-м фотоумножителем, а, f_i - весовые коэффициенты, соответствующие координате по осям х и у центра фотокатода каждого ФЭУ, т. е. f_Xi=ax_i и f_Vi = ay_i.

...