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

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА №1 Литературный обзор 6

1.1 Детекторы излучений и их характеристики 6

1.2 Сцинтилляционные счетчики и счетчики чуренкова 7

1.3 цифровая регистрация событий характеристики регистрирующих устройств 7

1.3.1 задачи регистрирующих устройств 9

1.3.2 разрешающее время и погрешности счета простых регистраторов 10

    1.4 Перспективы  развития детекторов 

    1.4.1 Сцинтилляционные  блоки детектирования

ГЛАВА №2  Исследование хорактеристик быстродействующего канала гамма дефектоскопа 12

2.1 используема аппарута 12

2.2 исследование вах сб гд РДК 14

2.2.1 определение влияния на ВАХ объема сцинтиллятора без использования коллиматора 17

    2.2.2 определение влияния на ВАХ объема сцинтиллятора с использованием коллиматора

     2.3 определение  влияния на ВАХ материалов  отражателя

    2.3.1 Определение  влияния на ВАХ материалов  отражателя без использования  коллиматора

    2.3.2 Определение  влияния на ВАХ материалов  отражателя с использованием  коллиматора

    2.4 Определение  влияния на ВАХ формы и площади  окна коллимационной головки

    2.4.1 Определение  влияния на ВАХ формы коллимационной  головки

    2.4.2 Определение  влияния на ВАХ площади окна  коллимационной голоки

ГЛАВА № 3 Сцитилляционные ПЧД 19

3.1 одномерные сцинтилляционные пчд 19

3.2 двухмерные сцинтилляционные пчд 20

    3.3 двухдетекторный  однофотонный эмиссионный компьютерный  томограф ЭФАОМ

    3.3.1 Описание

    3.3.2 Устройство  блока детектирования томографа

    3.3.3 Вычесление  координат событий

    3.3.4 Энжеровский  алгоритм с коррекцией нелинейности

    3.3.5 Кластерный  энжеровский алгоритм

    3.3.6 Амплитудно-пространственные  характеристики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 53

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

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.

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.

В данной работе проводилось исследование быстродействующего канала гамма-дефектоскопа и исследование многоканальных схем. Целью данной работы являлись получение максимально  быстрой работы гамма-дефектоскопа и возможность в будущем модернизировать  его, использовав многоканальные схемы. Все показания прибора считывались  непосредственно с ФЭУ, в обход  электрических схем. Это позволило  обрабатывать результаты, не учитывая  помех вызванных электроникой.

ГД используется для динамического контроля крупногабаритных изделий. С помощью него можно  контролировать разность плотностей в  изделии или наличие отверстия  в контролируемом объекте. Так же ГД может использоваться в качестве контроля толщины исследуемого объекта. В экспериментах были использованы различные виды коллиматоров и пластиковые  сцинтилляторы ПСН-2 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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА №1 Литературный обзор

  В экспериментальной ядерной физике очень 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.

 

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. Приведенный на рис. 1.6,а сцинтилляционный счетчик состоит из двух основных частей: сцинтиллятора и ФЭУ.

  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.

Рис. 1.1 Сцинтилляционный счетчик (а); импульс сцинтилляции и  импульс тока ФЭУ (б): 1 - сцинтиллятор; 2 - фотокатод; 3 - фокусирующий электрод; 4 - диноды; 5 - анод

 

  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.

  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 (рис. 1.1,б).

  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 (рис. 1.1,б) 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, приведена на рис. 1.2. 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.