Сцинтилляционный детектор

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР, содержащий сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель, высокоомный резисторный делитель, низковольтный источник питания, операционный усилитель, общую шину и высоковольтный источник питания, подключенный первым и вторым выходами соответственно к первому и второму выводам резисторного делителя, отличающийся тем, что, с целью снижения энергопотребления по высоковольтной цепи при сохранении точности и быстродействия, в него введен низкоомный резисторный делитель, а низковольтный источник питания выполнен регулируемым и подключен выходом к одному выводу первого резистора низкоомного резисторного делителя, соединенного с общей шиной, и входом к выходу операционного усилителя, вход которого подсоединен к средней точке второго резистора низкоомного резисторного делителя, соединенного с последним динодом фотоэлектронного умножителя.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для измерения высокоинтенсивных ядерных и ионизирующих излучений в дозиметрии, радиометрии и ядерной геофизике.
Известен сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), источник питания, делитель напряжения, схему съема сигнала в виде выходной цепи с дополнительным регулируемым сопротивлением R и высоковольтный выпрямитель.
Данным детектором регистрируется излучение на сильном фоне -частиц. Поэтому через ФЭУ протекает достаточно большой ток (250-300 мкА). На дополнительном сопротивлении R этот ток вызывает падение напряжения, которое подается на вход схемы электронного стабилизатора высоковольтного выпрямителя питающего ФЭУ. Система позволяет поддерживать постоянным средний ток через ФЭУ, обусловленный большим фоном от -частиц, и тем самым коэффициент усиления ФЭУ, и, следовательно, стабильность работы детектора.
Недостатком данного детектора является невысокая точность измерений. Наличие в схеме стабилизации высоковольтного выпрямителя реактивных элементов через схему обратной связи искажает энергетический спектр выходных сигналов, Кроме того, применение RC-цепочки в качестве интегратора токового импульса не может обеспечить быстродействие детектора, так как увеличение емкости RC-цепочки с целью полного сбора заряда снижает его быстродействие при спектрометрических измерениях. Недостатком является также, то, что, для данного детектора требуется источник питания большой мощности, что затрудняет его использование в автономной и скважинной спектрометрической аппаратуре.
Известен также сцинтилляционный детектор для регистрации излучения высокой интенсивности от управляемых импульсных источников излучения. Детекторы содержат сцинтиллятор, ФЭУ, источник питания, делитель напряжения, схему съема сигнала и генератор запирающих электрических импульсов. Во время действия излучения максимальной интенсивности от генератора на первый диод поступает электрический импульс и путем уравновешивания потенциала фотокатода и первого динода запирает ФЭУ, предотвращая его от перегрузки. После окончания действия электрического импульса ФЭУ отпирается и детектор возобновляет регистрацию излучения.
Недостатком данного детектора является отключение их на период запирания ФЭУ, что в условиях радиометрических и спектрометрических измерений приводит к частичному подавлению полезного сигнала и дополнительной погрешности.
Наиболее близким по технической сути является радиометрический сцинтилляционный блок детектирования, состоящий из сцинтилляционного счетчика, в состав которого входят сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и резисторный делитель, предварительного усилителя, усилителя, амплитудного дискриминатора, операционного дифференциального усилителя, первого высокоомного резистора, порогового элемента, высоковольтного преобразователя напряжения, второго высокоомного резистора, сумматора, источника опорного напряжения, высоковольтного конденсатора и первичного источника питания.
Счетчик, предварительный усилитель и амплитудный дискриминатор соединены последовательно, фотокатод ФЭУ соединен с первым контактом резисторного делителя, а последний контакт делителя с входом операционного дифференциального усилителя, между входом и выходом которого включен первый высокоомный резистор. Выход источника опорного напряжения через сумматор подключен к второму входу амплитудного дискриминатора. Вместе соединены выходы операционного дифференциального усилителя, второй вход сумматора и вход порогового элемента, выход которого подключен к второму входу высоковольтного преобразователя напряжения. Первичный источник питания подключен через высоковольтный преобразователь напряжения и высокоомный резистор к фотокатоду ФЭУ. Высоковольтный конденсатор подключен между фотокатодом ФЭУ и общей шиной.
При подаче низковольтного напряжения от первичного источника питания на вход высоковольтного преобразователя напряжения на выходе последнего появляется высокое напряжение, которое через второй высокоомный резистор поступает на высоковольтный конденсатор, фотокатод ФЭУ и резисторный делитель. Высоковольтный конденсатор начинает заряжаться (фрагмент t_o) от U_выс=0 до U_выс=U (момент t₁). По мере заряда конденсатора на выходе операционного дифференциального усилителя, охваченного отрицательной обратной связью с помощью первого высокоомного резистора, увеличивается напряжение.
На выходе сумматора также увеличивается напряжение, равное сумме напряжений от источника опорного напряжения и напряжения с выхода дифференциального усилителя. Это увеличение высокого напряжения на конденсаторе и порога дискриминации амплитудного дискриминатора продолжается до момента t_v, когда напряжение на выходе дифференциального усилителя достигает второго уровня срабатывания порогового элемента. В этот момент на выходе порогового элемента появляется напряжение с уровнем логического "0", по величине которого высоковольтный преобразователь выключается и не потребляет мощность от низковольтного первичного источника питания. Конденсатор разряжается медленно, с большой постоянной времени, равной _б=CR_д, где R_д суммарное сопротивление делителя, C емкость конденсатора.
Уменьшение величины высокого напряжения на фотоэлектронном умножителе, а следовательно, и уменьшение его коэффициента усиления компенсируется уменьшением величины порога дискриминации амплитудного дискриминатора. Гамма-кванты при взаимодействии с веществом сцинтилляционного детектора вызывают появление на выходе фотоэлектронного умножителя электрических импульсов, величина которых пропорциональна коэффициенту усиления фотоэлектронного умножителя. Коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя зависит от величины высокого напряжения на резисторном делителе. Электрические импульсы с выхода фотоэлектронного умножителя после усиления предварительным усилителем и усилителем поступают на амплитудный дискриминатор. Если амплитуда импульса превышает порог дискриминации, то дискриминатор вырабатывает нормированный импульс, который направляется далее на обработку в блок обработки. Скорость счета импульсов на выходе дискриминатора пропорциональна плотности потока регистрируемого гамма-излучения. Изменение величины порога дискриминации дискриминатора позволяет скомпенсировать изменение величины высокого напряжения фотоэлектронного умножителя, так что выходная скорость счета импульсов остается неизменной. Когда напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на выходе дифференциального усилителя уменьшается до первого уровня срабатывания порогового элемента, то на выходе последнего появляется напряжение с уровнем логической "1". В этот момент (t₂) снова включается высоковольтный преобразователь и заряжает через резистор конденсатор с малой постоянной времени _M=R_В C, где R_B сопротивление второго высокоомного резистора. Далее процесс заряда и разряда конденсатора повторяется, напряжение на нем изменяется от U , и U , а порог дискриминации U_n амплитудного дискриминатора изменяется от U до U . Недостатком данного блока детектирования является наличие в цепи питания ФЭУ высоковольтного конденсатора в качестве интегратора тока. При отключении высоковольтного преобразователя от первичного источника питания конденсатор играет роль дополнительного источника питания делителя ФЭУ. Для увеличения времени непрерывной работы блока детектирования конденсатор разряжается медленно с большой постоянной времени, равной = C R_д, где R_д суммарное сопротивление делителя, C емкость конденсатора высоковольтного. В связи с этим в качестве элементов делителя должны применяться высокоомные резисторы, обеспечивающие прохождение через делитель малого тока разрядки конденсатора. Известный блок детектирования может использоваться в условиях малых скоростей счета. При больших скоростях счета, т. е. при высоких токах динодов ФЭУ, конденсатор не может обеспечить своевременное восстановление на динодах рабочих потенциалов. По этой причине фотоумножитель не может обеспечить линейность, достаточную для измерений, например, при спектрометрических или временных исследованиях.
Целью изобретения является сокращение энергопотребления по высоковольтной цепи сцинтилляционного детектора при сохранении точности и быстродействия.
Поставленная цель достигается тем, что в сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель, резисторный делитель, высоковольтный преобразователь, первичный источник питания и операционный усилитель, введены низкоомный делитель для независимого питания последних динодов фотоэлектронного умножителя, а низковольтный источник питания выполнен регулируемым и подключен выходом к одному выводу низкоомного делителя, соединенного с общей шиной, и входом к выходу операционного усилителя, вход которого подсоединен к средней точке второго резистора низкоомного делителя, соединенного с последним динодом фотоэлектронного умножителя.
На фиг. 1 представлена функциональная схема сцинтилляционного детектора; на фиг. 2 кривые временного поглощения гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов в среде от импульсного генератора нейтронов, измеренные известными и предложенным детектором. Сцинтилляционный детектор содержит (фиг. 1) сцинтиллятор 1, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 2, высоковольтный источник 3 питания, высокоомный резисторный делитель 4, операционный усилитель 5, регулируемый низковольтный источник 6 питания, низкоомный резисторный делитель 7 и общую шину.
Сцинтиллятор 1, фотоэлектронный умножитель 2, операционный усилитель 5 и регулируемый низковольтный источник 6 соединены последовательно. Фотокатод фотоэлектронного умножителя 2 соединен с первым выводом высокоомого резисторного делителя 4, последующие выводы которого соединены с соответствующими динодами фотоэлектронного умножителя 2. Первый вывод низкоомного резисторного делителя 7 соединен с предпоследним динодом, а последующий его вывод с последним динодом. Высоковольтный источник 3 подключен к первому выводу первого резистора высокоомного резисторного делителя 4 и к общей шине. Регулируемый низковольтный источник 6 подключен одним выходом к первому выводу первого резистора низкоомного резисторного делителя 7 и к общей шине. Средний вывод второго резистора низкоомного резисторного делителя через операционный усилитель 5 соединен с входом регулируемого низковольтного источника 6.
Сцинтилляционный детектор работает следующим образом.
При воздействии на сцинтиллятор 1 гамма-квантов высокой интенсивности в цепи анода фотоэлектронного умножителя 2 и ближних к нему двух динодов протекает большой ток, который вызывает изменение напряжения на резисторах низкоомного резисторного делителя. Чтобы напряжение на последних двух динодах ФЭУ 2 оставалось постоянным, часть напряжения с второго резистора никоомного резисторного делителя 7 через операционный усилитель 5 поступает на вход регулируемого низковольтного источника 6, который в низкоомном резисторном делителе 7 создает ток, превосходящий максимальный ток ближних к аноду двух последних динодов ФЭУ 2.
На фиг. 2 приведены результаты измерений соотношения дифференциальной интенсивности I_диф к интегральной интенсивности I_инт, полученные с данным сцинтилляционным детектором (кривая a) и с известными сцинтилляционными детекторами (кривые б и в). Регистрировались кривые временного поглощения гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов в модели известняка 20% пористости, облучаемой генератором нейтронов. Использовался кристалл NaI(Tl) 40x40 мм, ФЭУ-78Б.
Кривая а получена при питании делителя ФЭУ от двух источников:
U_{высоковольт}= 1400В, U_{низковольт}=300 B при сопротивлениях высокоомного и низкоомного резисторных делителей соответственно (7-10) МОм и (150-200) КОм.
Кривая б получена при питании ФЭУ от низкоомного резисторного делителя (800 КОм) напряжением U=1400 B.
Кривая в получена при питании ФЭУ от высоковольтного резисторного делителя (6 МОм) напряжением 1400 B.
Сравнение кривых а и б показывает их совпадение, т. е. характеристики детекторов не меняются, однако, как показала оценка, потребляемая мощность для данного детектора уменьшилась в 3 раза.
Сцинтилляционные детекторы с высокоомными резисторными делителями (8-12 МОм) при высоких токах на динодах и аноде фотоэлектронного умножителя, как видно из кривой в, не могут обеспечить линейность, достаточную для временных или спектрометрических измерений.
Использование изобретения позволяет уменьшить потребляемую мощность за счет увеличения тока только через делитель, обеспечивающий питание последних динодов фотоэлектронного умножителя, при этом сохраняется точность измерения и быстродействие.
Изобретение относится к области к ядерной физики и может быть использовано для изменения высокоинтенсивных ядерных и ионизирующих излучений в дозиметрии, радиометрии и ядерной геофизике. Цель изобретения - снижение энергопотребления по высоковольтной цепи при сохранении точности и быстродействия. В известном сцинтилляционном детекторе, содержащем фотоэлектронный умножитель, высокоомный резисторный делитель, низковольтный источник питания и операционный усилитель, введен низкоомный резисторный делитель, а низковольтный источник питания выполнен регулируемым. Для стабилизации напряжения на последних динодах фотоэлектронного умножителя часть напряжения с второго резистора низкоомного резисторного делителя через операционный усилитель поступает на вход регулируемого низковольтного источника питания, который в низкоомном резисторном делителе создает ток, превосходящий максимальный ток, ближних к аноду динодов фотоэлектронного умножителя. 2 ил.