Оптимизация и расчет быстродействующего канала гамма-датчика. Исследование многоканальных схем гамма-датчика

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.

 

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.  В  таблице  1.1 приведены основные характеристики некоторых неорганических сцинтилляторов.

Материал	Световыход %	Темп.коэфф %/°С	Постоянная времени спада, нс	Разрешение на 662кэВ	Плотность г/см3	Гигроскопичность
NaJ(Tl)	100	-0.3	250	6-8	3.67	да
CsJ(Tl)	45	0.01	1000	7-8.5	4.51	слабая
CsJ(Na)	85	-0.05	630	7-8.5	4.51	да
CsJ	4-6	-0.3	16	30-32	4.51	нет
CdWO4	30-50	-0.1	14000		7.9	Нет
YAlO3(Ce)	40	-0.1	27		5.55	Нет
BGO	20	-1.2	300	9.5-12	7.13	нет
LYSO	75	0.04	41	7-11	7.1	нет
BaF2	3	0	0.6-0.8		4.88	слабая
LaBr3(Ce)	130	0	26	2.5-3.5	5.29	да
LaCl3(Ce)	70-90	0.7	28	2.5-3.5	3.79	да

Таблица 1.1

  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 NaJ(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 NaJ(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.

  На рис. 1.10 представлен график зависимости пропускной способности спектрометрического тракта на базе процессора SBS-77 «Грин Стар» и сцинтилляционных детекторов с кристаллами LYSO и  BGO без использования  DL - преобразователя и с использованием  DL – преобразователя.  DL – преобразователь применяется  для увеличения пропускной способности спектрометрического тракта.

  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.

Рисунок 1.10

  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 NaJ(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  NaJ(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 NaJ(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 NaJ(Tl) аналогичного размера при тех же условиях, разрешение составляет не менее 6 %.

- Более высокая эффективность регистрации чем у детектора с аналогичными размерами кристалла NaJ(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.

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

 

 

 

ГЛАВА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК  БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО КАНАЛА ГАММА - ДЕФЕКТОСКОПА

 

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

Таблица 2.1. Технические характеристики высоковольтного блока питания C4900-01

Параметры		C4900-01	Единицы измерения
Диапазон входного напряжения		+12 ± 0.5	V
Входной ток	без нагрузки	15	mA
	с нагрузкой	95
Диапазон изменения выходного напряжения		от 0 до -1250	V
Гарантированный диапазон выходного  напряжения		от -200 до -1250	V
Входной ток		0.5	mA
Стабильность изменения  входного напряжения   ± 1, ± 0,5 В		±0.01	%
Стабильность изменения выходного  напряжения   ± 1, ± 0,5 В		±0.01	%
Пульсация / шум		0.003	%
Управление выходным напряжением		По внешнему управляющему напряжению (от 0 В до +5 В) или внешним потенциометром (50 кОм ± 2,5 кОм)	—
Контроль входного напряжения		80	kΩ
Выходное опорное напряжение		+5,13 (50 кОм внешний потенциометр)	V
Выходное напряжение установки (абсолютное значение)		(Контроль напряжения × 250) ±  0,5%	V
Время нарастания выходного напряжения (0% ➝ 99%)		50	ms
температурный коэффициент		±0.01	% / °C
Рабочая температура окружающей среды		От 0 до +50	°C
Операционная влажность		Ниже 80%	—
Температура хранения		От -20 до +70	°C
Влажность при хранении		Ниже 80%	—
Вес		31	g