RU2029316C1

RU2029316C1 - Spectrometer-dosimeter

Info

Publication number: RU2029316C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Минеев; Павел Николаевич Трофимов
Original assignee: Юрий Васильевич Минеев; Павел Николаевич Трофимов
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: nuclear technology. SUBSTANCE: measuring unit has three semiconductor detectors with different thickness and made of different materials; the detectors are located one under another. Each detector is connected in series with charge-sensitive amplifier and analog-to-digital converter, comparator, stretcher-amplifier, analog-to-digital converter. Outputs of above mentioned units are connected with data bus of single-crystal microcomputer. On-line memory, interface circuit, indication unit, control circuit, control board are connected with the microcomputer. The first control bus of single-crystal microcomputer is connected with on-line memory, interface circuit, indication unit, control board, control circuit and blocking inputs of charge-sensitive amplifiers of the first to the third channels correspondingly. The second control bus is connected with control circuit, data bus of single-crystal microcomputer, plate of the comparator and stretchers-amplifiers, analog-to-digital converters of the first to the third channels correspondingly. EFFECT: complete automation of measurement and data processing. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной физике, дозиметрии, ядерному приборостроению, радиационной медицине и биологии. The invention relates to nuclear physics, dosimetry, nuclear instrument engineering, radiation medicine and biology.

Существуют различные методы определения радиоактивности веществ, биопрепаратов, образцов почв, пищевых продуктов и т.д. Их применение обычно основано на использовании различных методик и приборов ядерной физики. Это методики измерения радиоактивности веществ с помощью ионизационных, газоразрядных, сцинтилляционных, полупроводниковых и других счетчиков [1,2], входящих в состав дозиметров. Однако на практике часто необходимо измерять раздельно все три вида радиоактивности одновременно и одной методикой (например, в случае изучения последствий аварий в Чернобыле, Челябинске-70 и др.). There are various methods for determining the radioactivity of substances, biological products, soil samples, food products, etc. Their application is usually based on the use of various techniques and instruments of nuclear physics. These are methods for measuring the radioactivity of substances using ionization, gas-discharge, scintillation, semiconductor and other counters [1,2], which are part of dosimeters. However, in practice it is often necessary to measure separately all three types of radioactivity simultaneously and using the same method (for example, in the case of studying the consequences of accidents in Chernobyl, Chelyabinsk-70, etc.).

Применение полупроводниковых детекторов [2] и систем из них дает возможность создания более информативных и одновременно более простых, долговечных и мобильных устройств измерения радиоактивности, что затруднено в случае применения громоздких сцинтилляционных и ионизационных детекторов и малоинформативных газоразрядных детекторов, не измеряющих, как правило, альфа-радиоактивность. Однако применение одного полупроводникового детектора в дозиметре [3] не позволяет регистрировать дозу от всех видов излучений, так как он нечувствителен ко всем видам излучения одновременно. The use of semiconductor detectors [2] and systems of them makes it possible to create more informative and at the same time simpler, more durable and mobile devices for measuring radioactivity, which is difficult in the case of bulky scintillation and ionization detectors and low-informative gas-discharge detectors, which usually do not measure alpha radioactivity. However, the use of one semiconductor detector in a dosimeter [3] does not allow recording the dose from all types of radiation, since it is insensitive to all types of radiation at the same time.

Известно полупроводниковое устройство [4], регистрирующее заряженные излучения. Однако оно не регистрирует нейтральное гамма-излучение и не использует спектрометрические и идентификационные свойства системы полупро- водниковых детекторов. Недостатком является применение аналоговой обработки сигналов от детекторов, а не цифровой, обладающей гораздо большими быстродействиями и точностью. Known semiconductor device [4], which records charged radiation. However, it does not detect neutral gamma radiation and does not use the spectrometric and identification properties of a system of semiconductor detectors. The disadvantage is the use of analog signal processing from detectors, rather than digital, which has much greater speed and accuracy.

Известно устройство измерения спектров и идентификации заряженного радиоактивного излучения на основе использования методики ΔЕ-Е на двух полупроводниковых детекторах [2,5] . Наиболее близким по сущности к изобретению следует считать спектрометр-идентификатор [5]. Однако он не регистрирует нейтральное гамма-излучение и применяемый в нем блок памяти не позволяет определять дозу излучений, что не реализует всех возможностей метода. A device for measuring spectra and identification of charged radioactive radiation based on the use of the ΔE-E technique on two semiconductor detectors [2,5] is known. The closest in essence to the invention should be considered an identifying spectrometer [5]. However, it does not register neutral gamma radiation and the memory unit used in it does not allow determining the radiation dose, which does not realize all the possibilities of the method.

В изобретении преодолен этот недостаток, для регистрации гамма-излучения вводится третий полупроводниковый детектор, конструктивно располагаемый за вторым. Третий детектор выбирается из такого полупроводникового материала и такой толщины (несколько миллиметров), чтобы обеспечить регистрацию гамма-квантов в большом диапазоне энергий. Он применяется из полупроводникового материала, более эффективного к регистрации гамма-излучения, с энергией 0,1-10 МэВ, например из германия, теллурида кадмия или иодида ртути, веществ, более эффективных к гамма-излучению, чем кремниевый детектор из-за того, что атомный номер Z германия (Z=32) и особенно иодида ртути (Z=80) превосходит атомный номер кремния (Z=14). The invention overcomes this disadvantage, to register gamma radiation, a third semiconductor detector is introduced, which is structurally located behind the second. The third detector is selected from such a semiconductor material and such a thickness (several millimeters) to ensure the registration of gamma rays in a large energy range. It is used from a semiconductor material that is more effective for detecting gamma radiation with an energy of 0.1-10 MeV, for example, from germanium, cadmium telluride or mercury iodide, substances that are more effective for gamma radiation than a silicon detector because that the atomic number Z of germanium (Z = 32) and especially mercury iodide (Z = 80) exceeds the atomic number of silicon (Z = 14).

На фиг.1 приведено устройство для определение альфа-, бета- и гамма-радиоактивности вещества, биопрепаратов, образцов почв и т.д. Figure 1 shows a device for determining alpha, beta and gamma radioactivity of substances, biological products, soil samples, etc.

Измерение радиоактивности осуществляют следующим образом. Исследуемый образец 3 помещается на полочке штатива 1. Телескоп 2 полупроводниковых детекторов, состоящий из трех полупроводниковых детекторов (альфа, бета и гамма) и помещенный в тубус, с помощью винта штатива подводится к исследуемому на радиоактивность веществу достаточно близко с тем, чтобы была возможность регистрации альфа-частиц ( ≅ 2 см от вещества). В тубусе в отсеке за детекторами размещаются регистрирующая электроника и устройство связи с персональной ЭВМ 4. Определение радиоактивности веществ сводится к помещению их на расстояние ≅ 2 см к предложенному устройству, состоящему из трех полупроводниковых детекторов разной толщины и из определенного материала, чем достигается одновременная регистрация потоков энергии и доз альфа-, бета- и гамма-радиоактивности. The measurement of radioactivity is as follows. The test sample 3 is placed on the shelf of tripod 1. A telescope of 2 semiconductor detectors, consisting of three semiconductor detectors (alpha, beta and gamma) and placed in a tube, is brought close to the substance being studied for radioactivity using a tripod screw so that it can be detected alpha particles (≅ 2 cm from the substance). In the tube in the compartment behind the detectors, recording electronics and a communication device with a personal computer 4 are located. Determination of the radioactivity of substances is reduced to placing them at a distance of ≅ 2 cm to the proposed device, which consists of three semiconductor detectors of different thicknesses and of a certain material, which achieves simultaneous registration of flows energy and doses of alpha, beta and gamma radioactivity.

Цель изобретения - устройство для одновременного измерения потоков, спектров и доз альфа-, бета- и гамма-излучения веществ, повышение информативности, увеличение динамического диапазона регистрируемых энергий и доз, уменьшение времени и увеличение точности измерения при высоком быстродействии, что достигается определением радиоактивности при помощи трех расположенных друг под другом полупроводниковых детекторов альфа-, бета- и гамма-излучения разной толщины и из определенного материала, в том числе применением специального (третьего) детектора гамма-излучения толщиной несколько миллиметров, что позволяет существенно расширить динамический диапазон регистрируемых энергий гамма-излучения более точным определением суммарной дозы и полностью автоматизировать измерения. The purpose of the invention is a device for the simultaneous measurement of flows, spectra and doses of alpha, beta and gamma radiation of substances, increasing information content, increasing the dynamic range of the recorded energies and doses, reducing time and increasing measurement accuracy at high speed, which is achieved by determining radioactivity using three semiconductor alpha, beta and gamma radiation semiconductor detectors of different thicknesses and from a certain material, including the use of a special (third) a gamma radiation detector with a thickness of several millimeters, which allows to significantly expand the dynamic range of the recorded gamma radiation energies by more accurate determination of the total dose and to fully automate measurements.

Цель изобретения достигается тем, что в устройстве измерения применено три полупроводниковых детектора разной толщины и из определенного материала, расположенных друг под другом, каждый из которых последовательно соединен с зарядочувствительным усилителем, компаратором, стречером-усилителем и амплитудно-цифровым преобразователем, выходы которых соединены с шиной данных однокристальной ЭВМ, с которой связаны оперативное запоминающее устройство, плата интерфейса, устройство индикации, схема управления, пульт управления, шина управления однокристальной ЭВМ подсоединена к оперативному запоминающему устройству, плате интерфейса, устройству индикации, пульту управления, схеме управления и блокировочным входам зарядочувствительных усилителей первого, второго и третьего каналов соответственно, а шина управления соединена со схемой управления, шиной данных однокристальной ЭВМ, платой компаратора и стретчеров-усилителей, амплитудно-цифровыми преобразователями первого, второго и третьего каналов соответственно, чем достигается полная автоматизация измерений и обработки данных. The purpose of the invention is achieved in that the measurement device employs three semiconductor detectors of different thicknesses and from a certain material located one below the other, each of which is connected in series with a charge-sensitive amplifier, a comparator, a streamer-amplifier and an amplitude-to-digital converter, the outputs of which are connected to the bus data of a single-chip computer with which a random access memory, an interface board, an indication device, a control circuit, a control panel, a control bus are connected A single-chip computer is connected to random access memory, an interface board, an indication device, a control panel, a control circuit, and blocking inputs of charge-sensitive amplifiers of the first, second, and third channels, respectively, and a control bus is connected to a control circuit, a single-chip computer data bus, a comparator board, and stretcher cards -amplifiers, amplitude-to-digital converters of the first, second and third channels, respectively, thereby achieving full automation of measurements and processing Data heel.

Существенным отличием предлагаемого устройства является возможность раздельной и одновременной регистрации потоков и доз альфа-, бета и гамма-излучения в большом диапазоне энергий, определяемой толщиной каждого из трех детекторов, а также выбором полупроводникового материала детекторов. Это позволяет повысить точность измерения дозы в несколько раз по сравнению с прототипом за счет более точного определения энергетического спектра регистрируемых излучений (альфа, бета и гамма). A significant difference of the proposed device is the possibility of separate and simultaneous registration of flows and doses of alpha, beta and gamma radiation in a large energy range, determined by the thickness of each of the three detectors, as well as the choice of semiconductor material of the detectors. This allows you to increase the accuracy of dose measurement several times in comparison with the prototype due to a more accurate determination of the energy spectrum of the recorded radiation (alpha, beta and gamma).

Предлагаемые отличительные признаки в совокупности не известны, поэтому предлагаемое решение удовлетворяет критерию "Существенные отличия". The proposed distinguishing features in the aggregate are not known, therefore, the proposed solution meets the criterion of "Significant differences".

Функциональная схема спектрометра-дозиметра приведена на фиг.2. The functional diagram of the spectrometer dosimeter is shown in figure 2.

Спектрометр-дозиметр включает в себя блок 5 детекторов, состоящий из трех полупроводниковых детекторов (с коллиматором), три идентичных канала, состоящих каждый из блока 6 аналоговых измерений и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, блок 8 управления, однокристальную ЭВМ 9, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 10, индикатор 11, блок 12 клавиатуры, интерфейсный блок 13. Первый- третий выходы блока 5 системы из трех полупроводниковых детекторов 1 соединены с первыми входами соответственно первого-третьего блоков 6 аналоговых измерений, первые выходы которых соединены с первыми входами первого - третьего АЦП 7. Вторые выходы первого-третьего блоков 6 аналоговых измерений и первые выходы первого-третьего АЦП 7 через шину управления подсоединены к первым входам блока 8 управления, а первые выходы блока управления через шину управления соединены с вторыми входами первого-третьего АЦП 7 соответственно. Вторые выходы первого-третьего АЦП 7 соединены с общей шиной однокристальной ЭВМ 9, с которой связаны вторые выходы блока 8 управления, совмещенные входы-выходы ОЗУ 10, первые входы индикатора 11, первые выходы блока 12 клавиатуры, совмещенные входы-выходы интерфейсного блока 13. Первые выходы однокристальной ЭВМ 9 соединены с первыми входами ОЗУ 10. Вторые выходы однокристальной ЭВМ 9 через шину управления соединены с вторыми входами ОЗУ 10, вторыми входами индикатора 11, входами блока 12 клавиатуры, вторыми входами интерфейсного блока 13, вторыми входами блока 8 управления, вторыми входами соответственно первого-третьего блоков 6 аналоговых измерений, а входы однокристальной ЭВМ 9 через шину управления соединены с вторыми выходами блока 12 клавиатуры, вторыми выходами интерфейсного блока 13, третьими выходами блока управления. Первые входы и выходы интерфейсного блока 13 выведены на отдельный разъем и служат для подключения прибора к ЭВМ. The spectrometer-dosimeter includes a block of 5 detectors, consisting of three semiconductor detectors (with a collimator), three identical channels, each consisting of a block of 6 analog measurements and an analog-to-digital converter (ADC) 7, control unit 8, single-chip computer 9, operational memory device (RAM) 10, indicator 11, keyboard block 12, interface block 13. The first and third outputs of a system block 5 of three semiconductor detectors 1 are connected to the first inputs of the first or third blocks of 6 analog measurements, respectively the outputs of which are connected to the first inputs of the first to third ADCs 7. The second outputs of the first to third analog measurement units 6 and the first outputs of the first to third ADCs 7 are connected to the first inputs of the control unit 8 through the control bus, and the first outputs of the control unit are connected via the control bus with the second inputs of the first to third ADC 7, respectively. The second outputs of the first to third ADCs 7 are connected to a common bus of a single-chip computer 9, to which are connected the second outputs of the control unit 8, the combined inputs and outputs of RAM 10, the first inputs of the indicator 11, the first outputs of the keyboard unit 12, the combined inputs and outputs of the interface unit 13. The first outputs of a single-chip computer 9 are connected to the first inputs of RAM 10. The second outputs of a single-chip computer 9 are connected via a control bus to the second inputs of RAM 10, the second inputs of the indicator 11, the inputs of the keyboard unit 12, the second inputs of the interface unit 13, and the second inputs the odes of the control unit 8, the second inputs of the first to third units 6 of analog measurements, respectively, and the inputs of the single-chip computer 9 are connected via the control bus to the second outputs of the keyboard unit 12, the second outputs of the interface unit 13, and the third outputs of the control unit. The first inputs and outputs of the interface unit 13 are displayed on a separate connector and are used to connect the device to a computer.

Спектрометр-дозиметр функционирует следующим образом. The spectrometer dosimeter operates as follows.

При регистрации альфа-, бета- или гамма-излучения электрический импульс с соответствующего полупроводникового детектора поступает на блок 6, в котором происходит усиление и формирование сигнала для последующего преобразования в АЦП 7, а также формирование запускающего и идентифицирующего импульса для блока 8 управления. Код амплитуды после преобразования фиксируется во внутреннем регистре АЦП 7 и в соответствующем программном цикле записывается в ОЗУ 10. Идентификационный код детектора, в котором зарегистрировано излучение, формируется блоком 8 и считывается ЭВМ 9 одновременно с кодом амплитуды. Преобразования в трех каналах происходят независимо с разбиением регистрируемого диапазона энергий на 63 уровня, что позволяет производить анализ регистрируемых альфа-, бета- и гамма-излучений по их спектральному, энергетическому и изотопному составу для альфа-излучения, используя при этом программно реализованные метод ΔЕ-Е, логику совпадений - антисовпадений, а также определять дозу как суммарную, так и по каждому виду излучений. When registering alpha, beta or gamma radiation, an electric pulse from the corresponding semiconductor detector is fed to block 6, in which the signal is amplified and formed for subsequent conversion to ADC 7, as well as the formation of a trigger and identification pulse for control block 8. After conversion, the amplitude code is fixed in the ADC 7 internal register and is written to RAM 10 in the corresponding program cycle. The identification code of the detector in which the radiation is detected is generated by block 8 and the computer 9 is read out simultaneously with the amplitude code. The transformations in the three channels occur independently with a breakdown of the recorded energy range into 63 levels, which allows the analysis of the recorded alpha, beta and gamma radiation by their spectral, energy and isotopic composition for alpha radiation, using the software-implemented ΔЕ- method E, the logic of coincidences - anti-coincidences, and also determine the dose both total and for each type of radiation.

Работой спектрометра-дозиметра управляет ЭВМ 9 в соответствии с заданным режимом. Режим задается оператором в интерактивном режиме при помощи блоков 12 и 13. Управляющие сигналы от ЭВМ 9 к периферийным устройствам передаются по шине управления. Быстродействие системы достигается за счет программно-аппаратной реализации цикла записи данных, выставляемых АЦП 7 в ОЗУ 10. Аппаратную поддержку цикла записи осуществляет блок 8 управления, используя для этого первую и вторую шины управления. Интерфейсный блок 13 обеспечивает побайтный параллельный или последовательный обмен между спектрометром-дозиметром и ЭВМ любого типа (ДВК, IBМ и др.) а также запись и чтение с кассетного магнитофона любого типа. The operation of the spectrometer-dosimeter is controlled by a computer 9 in accordance with a given mode. The mode is set by the operator in interactive mode using blocks 12 and 13. Control signals from the computer 9 to the peripheral devices are transmitted via the control bus. The system performance is achieved due to the hardware and software implementation of the data recording cycle set by the ADC 7 in RAM 10. The writing cycle is supported by the control unit 8 using the first and second control buses. The interface unit 13 provides a byte parallel or serial exchange between a spectrometer-dosimeter and a computer of any type (DVK, IBM, etc.) as well as writing and reading from any type of tape recorder.

В соответствии с заданной программой измерений ЭВМ 9 осуществляет управление работой спектрометра-дозиметра и производит накопление информации в ОЗУ 10. По завершении накопления и обработки данные отображаются на индикаторе 11 или записываются на магнитофон, либо считываются ЭВМ для более детального анализа. Применение ЭВМ 9 с набором подпрограмм, хранящимся в резидентном постоянном запоминающем устройстве, позволяет оперативно управлять прибором, изменять алгоритм обработки данных, а также использовать спектрометр-идентификатор-дозиметр совместно с ЭВМ любого типа (ДВК, IBМ и др.). In accordance with a given measurement program, the computer 9 controls the operation of the spectrometer-dosimeter and accumulates information in RAM 10. Upon completion of the accumulation and processing, the data is displayed on the indicator 11 or recorded on a tape recorder, or the computer is read for more detailed analysis. The use of a computer 9 with a set of routines stored in a resident read-only memory allows you to quickly control the device, change the data processing algorithm, and use a spectrometer-identifier-dosimeter in conjunction with computers of any type (DVK, IBM, etc.).

Предлагаемый спектрометр-дозиметр позволяет производить регистрацию потоков и доз альфа-излучения с энергией 1-25 МэВ/нуклон и активностью с 0,5 беккерелей/л и эффективностью, близкой к 100%, бета-излучения с энергией 0,1-3 МэВ с эффективностью 80%, бета-излучения с энергией 3-5,5 МэВ с эффективностью 50% и с активностью 1-2 беккереля/л, гамма-излучения с энергией 0,05-2 МэВ с эффективностью ≈20% и с энергией 2-10 МэВ с эффективностью не хуже 10%, начиная с фоновых значений мощности эквивалентной дозы 0,15 мк˙3В/ч (15 мкР/ч). Диапазон регистрируемых потоков излучений составляет от начальных (фоновых значений) до 10⁶ частиц/см²˙с. Определяется также суммарная мощность эквивалентной дозы. Спектрометр-дозиметр может быть использован для широкого круга задач: от бытовой дозиметрии высокой точности до специальных научных исследований. Так, например, он позволяет измерять содержание стронция-90 в продуктах питания и природных объектах с точностью до 0,1 беккереля на образец с массой 30 г, определять содержание радона-222, одновременно с его изотопами-219 и 220.The proposed spectrometer dosimeter allows the registration of fluxes and doses of alpha radiation with an energy of 1-25 MeV / nucleon and an activity of 0.5 becquerels / l and an efficiency close to 100%, beta radiation with an energy of 0.1-3 MeV s with an efficiency of 80%, beta radiation with an energy of 3-5.5 MeV with an efficiency of 50% and an activity of 1-2 becquerel / l, gamma radiation with an energy of 0.05-2 MeV with an efficiency of ≈20% and an energy of 2- 10 MeV with an efficiency of no worse than 10%, starting from the background values of the equivalent dose rate of 0.15 μ˙3V / h (15 μR / h). The range of recorded radiation fluxes is from the initial (background values) to 10 ⁶ particles / cm ² ˙ s. The total equivalent dose rate is also determined. A spectrometer dosimeter can be used for a wide range of tasks: from high-precision household dosimetry to special scientific research. So, for example, it allows you to measure the content of strontium-90 in food and natural objects with an accuracy of 0.1 becquerel per sample with a mass of 30 g, to determine the content of radon-222, simultaneously with its isotopes-219 and 220.

Claims

SPECTROMETER-DOSIMETER containing a block of detectors consisting of two semiconductor detectors, the first and second outputs of which are connected respectively to the first inputs of the first and second blocks of analog measurements, the first outputs of which are connected to the first inputs of the first and second analog-to-digital converters, the control unit and a single-chip electronic computer associated with the first input and output with a common bus, to which the combined inputs and outputs of the random access memory are connected VA, the first inputs of the indicator and the first outputs of the keyboard block, characterized in that a third block of analog measurements, a third analog-to-digital converter are introduced into it, and a third semiconductor detector is introduced into the block of detectors, the output of which is the third output of the block of detectors and connected to the first input the third block of analog measurements, the first output of which is connected to the first input of the third analog-to-digital converter, second inputs and first outputs of all analog-to-digital converters, the first input and output block and the controls and the second outputs of all analog measurement units are connected to the first control bus, the second outputs of all analog-to-digital converters and the control unit are connected to the common bus of a single-chip electronic computer and the combined inputs and outputs of the interface unit, the second inputs of all analog measurement units are connected to a second control bus to which a third output and a second input of a control unit are connected, a second input and an output of a single-chip electronic computer, second inputs of an operational storage and display, the second input and output interface, as well as input and output a second keyboard unit.