Багатосекційний блок детектування іонізуючого випромінювання

/ 33 о а о є 9/ /?/7AZ G01T 1/18 БАГАТОСЕКЦІЙНИЙ БЛОК ДЕТЕКТУВАННЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ Галузь техніки. Прилад відноситься до галузі ядерної електроніки і призначений для вимірювання енергетичних спектрів, інтенсивностей та інших параметрів іонізуючого випромінювання. Прилад може бути використано в галузі радіаційної екології, медицині, в числених технологічних процесах, де застосовується ядерне випромінювання та в наукових дослідженнях. Рівень техніки. Радіаційні детектори звичайно мають досить велику площу активної поверхні, яка іноді переви щує 500 см . Це обумовлено тим, що густина потоку частинок, що реєструються, часто дуже низька, а час, виділений для накопичення необхідного числа сигналів, обмежений. Збільшення площі кремнійових детекторів пов"язано з великими труднощами. По перше, при збільшенні площі зростає струм витіку детектора і, відповідно, зумовлений ним шум По друге, пропорційно площі зростає ємність детектора, а з нею також лінійно шум зарядочутливого попереднього підсилювача. По третє, обернено пропорційно площі зменшується сигнал на вході підсилювача, що затягує його фронт і негативно впливає на параметри сигналу. Але найбільш суттєвими факторами мабуть є значне зростання вимог до якості технології і підвищення вартості. Для подолання протиріччя між необхідністю збільшувати площу детектора і погіршенням параметрів детектуючої системи звичайно застосовують паралельне з'єднання п детектор ів , під ключених до одного спектрометричного каналу або п детекторів і п спектрометричних каналів, які працюють паралельно і повністю незалежно - тривіальний варіант з недоцільною апаратурною надлишковістю. Відомий прилад, найбільш близький за характером роботи до об'єкту, що заявляється, в якому для збільшення активної поверхні детектора використовують безпосередньо паралельне з'єднання декількох (припустимо п) детекторів невеликої площі, які підключено до одного попереднього підсилювача, сигнал з якого надходить до формуючого 2 підсилювача, подається на аналоге цифровий перетворювач і, далі, на ЕОМ де виконується накопичення і обробка інформації [1]. Автори обрали цей пристрій як пртотип. Основні недоліки прототипу: а) збільшення шуму і ємності паралельної структури. Індивідуальний внесок власного шуму кожного детектора додається квадратично в такий спосіб: 1 1 d , t ^ d , i ^ ^ d, де Nd t - повний шум всіх детекторів, a Nd, - шумовий вклад і-того детектора. Повна ємність, яка навантажує вхід зарядовочутливого попереднього підсилювача, буде мати вигляд: ct = cdl + cd 2 +... + cd4 + cs = cs + 2^ cdi 5 і де Ct - повна ємність, Cdi - ємність і- того детектора, Cs- паразитна ємність (включає ємність провідників, з"єднувачів, вхідну ємність польового транзистора, тощо). Тут необхідно врахувати, що шум зарядовочутливого попереднього підсилювача збільшується пропорційно ємності підключеної до його входу Тому загальний шум набуває вигляду: (3) де Nt - загальний шум, a N A- шум зарядовочутливого попереднього підсилювача з ємністю С t на вході б) значні труднощі в такому приладі виникають внаслідок неоднаковості детекторів, а саме неоднаковості процесів збору заряда детекторами, їх струмів зміщення, різної залежності ємності детекторів від напруги зміщення. Суть винахіду. В основу винахіду поставлено задачу, яка полягає в тому, щоб при застосуванні п детекторів для збільшення активної площі детектора в багатосекційній констукціі, шляхом додавання в прилад (який містить п паралельно з'єднаних детекторів, зарядовочутливий попередній підсилювач, формуючий підсилювач, аналого-цифровий перетворювач, з оперативний запам'ятовуючий пристрій та блок управління) нелінійного аналогового суматора і п цифрових регуляторів підсилення для п формуючих підсилювачів, при чому кожний з п детекторів підключається до одного з п зарядовочутливих попередніх підсилювачів, виходи яких підключено відповідно до п формуючих підсилювачів, до управляючих входів яких, в свою чергу, підключені її цифрових регуляторів підсилення; виходи п формуючих підсилювачів підключені до нелінійного аналогового суматора, вихід якого підключено до одного аналого-цифрового перетворювача; двонаправлені шини блоку управління підключено до п цифрових регуляторів підсилення, до нелінійного аналогового суматора, до аналого-цифрового перетворювача і до ЕОМ, яка програмно виконує процес калібровки і зведення центрів ваги піків стандартного джерела випромінювання, забезпечити: а) підвищення енергетичної роздільної здатності І зменшення шуму багатосекційного блоку детектування іонізуючого випромінювання до величин, притаманних одному детектору, б) збільшення стабільності спектрометра в цілому, в) зменення часу і трудоємності процедури енергетичної калібровки, г) спрощення процесу зведення центрів ваги піків стандартного джерела випромінювання, д) зменшення часу і спрощення процес обробки інформації. На < р іг. 1 показано блок- схема приладу, що заявляється. Блок- схема приладу містить п детекторів (1), п зарядовочутливих попередніх підсилювача (2), п формуючих підсилювачів (3), нелінійний аналоговий суматор (4), один аналого-цифровий перетворювач (5), її цифрових регуляторів підсилення для п формуючих підсилювачів (6), блок управління (7), внутрішню магістраль (8) і канал зв"язку з ЕОМ (9). Прилад, що заявляється (багатосекційний блок детектування іонізуючого випромінювання) працює таким чином: детектор набирається із п незалежних частин (секцій) з площею кожної секції s (1) Сигнали з кожної секції надходять в свій канал підсилення, який складається із зарядовочутливого попереднього підсилювача (2) та формуючого підсилювача (3). Сигнали всіх каналів подаються на нелінійний аналоговий суматор (4), в якому вони виводяться на одну шину і далі подаються на аналого-цифровий перетворювач (5). Нелінійний аналоговий суматор працює так, що пропускає шум тільки того каналу, в якому в даний момент проходить сигнал. Тобто ми отримуємо детектор загальною площею nxs , при цьому шум детектора і зарядовочутливого попереднього підсилювача відповідають площі детектора s. Для реалізації напівавтоматичної корекції розбіжностей коефіцієнтів передачі різних каналів і неоднаковості процесів збору заряда детекторів введено п цифрових регуляторів підсилення (6) І створено алгоритм напівавтоматичної корекції. Звичайна процедура корекції носить ітеративний характер: 4 t набирають енергетичний спектр випромінювання стандартного джерела на кожному з п детекторів; виконують апроксимацію піка гауссіаном або іншою функцією і визначають центр ваги піка відомої енергії в кожному з п каналів ; змінюють коефіцієнт підсилення каналів для усунення розбіжностей в положеннях центрів ваги; далі весь процес повторюють декілька разів, поки не будуть усунені розбіжності з необхідною точністю Основні проблеми звичайного варіанту корекції розбіжностей коефіцієнтів передачі різних каналів і неоднаковості процесів збору заряда детекторів : а) корекцію необхідно робити з великою точністю («2x10"4 , енергетичний спектр має 4096 каналів або більше), що дуже ускладнює ручне регулювання; б) функція відгуку детекторів в більшості випадків суттєво несиметрична, а це ускладнює апроксимацію піка і зменшує точність визначення його центру ваги; в) звичайно стандартні джерела іонізуючого випромінювання мають досить малу активність (особливо джерела альфа-частинок), що, з врахуванням вище викладеного, обумовлює великий час експозиції для багатократного набору п спектрів з необхідною стстистичною точністю. Алгоритм напівавтоматичної корекції грунтується на властивостях статистичних розподілів. Припустимо, форма Y, функцій фідгуку п каналів однакова, а всі розбіжності обумовлені неоднаковістю їх коефіцієнтів передачі: Y,(kj * i) , де Yf- число в каналі, k j коефіціент передачі j-того спектрометричного тракту (j=l. .n), і-номер каналу в енергетичному спектрі. Тоді незважаючи на кон кретний вигляд функції Y,(kj * і) центр ваги розподілу довільної ділянки спектра j-того спектрометричного каналу можна записати у формі: р j Тобто, незважаючи на конкретну форму ділянки спектра в інтервалі Ni - N2 , при тотожності Yf з рівності Рі=Рг випливає рівність ki=k2 . Таким чином з процедури корекції спектрометричних каналів ми маємо право виключити досить складну і неоднозначну операцію апроксимації піка і визначення його центра ваги та замінити довготривалу ітераційну процедуру напівавтоматичною корекцією за один крок' набираємо спектри стандартного джерела іонізуючого випромінювання в кожному з п каналів, визначаємо інтервал Ni - N 2 ( він має містити довільну частину спектра) однаковий для всіх п каналів, 5 обчислюємо всі Pj, знаходимо їх середнє значення Ро та всі різниці Pj - Ро , проводимо корекцію коефіцієнтів підсилення каналів записуючи відповідні цифрові коди в кожний з п цифрових регуляторів підсилення. Таким чином, порівнюючи прототип і прилад, що заявляється можна зробити висновок, що при збільшенні активної площі детектора за рахунок багатосекційної констукції зберігаються параметри притаманні одному детектору, збільшується стабільність спектрометра в цілому, зменшується час і трудоємність процедури енергетичної калібровки, за рахунок в напівавтоматичного процесу зведення центрів ваги піків стандартного джерела випромінювання, і спрощується експлуатація спектрометра. Ми вважаємо таке рішення вельми радикальним. По перше, вартість детектора великої площі в багато разів перевищує вартість відповідних комлектуючих радіокомпонентів, а по-друге, використання одночіпових мікросхем в підсилювачах значно зменшує об"єми і вартість електронних пристроїв. Перелік креслень. Я° іс. 1. Багатосекційний блок детектування іонізуючого випромінювання. Наведено блок схему приладу.