RU2368921C1

RU2368921C1 - Device for registration of impulse ionising radiation

Info

Publication number: RU2368921C1
Application number: RU2008106332/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Сергеевич Морозов (RU); Олег Сергеевич МОРОЗОВ; Олег Игоревич Суслин (RU); Олег Игоревич Суслин
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-27
Also published as: RU2008106332A

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention is related to the field of measurement equipment, namely to measurement of ionising radiations with the help of scintillating detector, and may be used to measure time parametres of impulse ionising radiation sources. Device for registration of impulse ionising radiation comprises scintillator 1 and photoelectric multiplier 4, connected to registration device 18, voltage divider 14 and synchroniser 20, connected to impulse source of ionising radiation 19 and registration device 18, current generator 16 and light diode 3, which is optically connected to scintillator 1, and system of sensitivity stabilisation, which comprises the second light diode 23 optically connected to scintillator 1, which is connected to the second current generator 22, the following components serially connected to outlet of photoelectric multiplier - matching device 6, lower level discriminator 7, analog-digital converter 8, the first switch 5, control inlet of which is connected to control inlet of the second current generator 22, the first integrator 10, comparison circuit 11, high-voltage power supply source 12, the second integrator 13, connected to voltage divider 14, and temperature detector 17, connected to microprocessor 15, to which inlets of switches 5 and 9 are connected, as well as control inlets of current generators 16 and 22, the second inlets of the first integrator 10, comparison circuits 11 and the second current generator 22 and the second outlet of synchroniser 20.

EFFECT: higher accuracy of time intervals assessment from the beginning of electric impulse of IIRS to beginning of radiation pulse of IIRS, and also stabilisation of sensitivity under all operation conditions during the whole service life (in process of ageing and running of scintillator and PEM).

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционного детектора, и может быть использовано для измерения временных параметров источников импульсного ионизирующего излучения (α, β, γ, n).The invention relates to the field of measuring equipment, namely to measuring ionizing radiation using a scintillation detector, and can be used to measure the time parameters of pulsed ionizing radiation sources (α, β, γ, n).

При контроле источников импульсного ионизирующего излучения (ИИИИ) одним из важнейших параметров являются интервалы времени с момента запуска ИИИИ до момента появления или/и окончания излучения, а также амплитудное значение потока частиц излучения. Благодаря высокой чувствительности к ионизирующему излучению и быстродействию контроль временных параметров осуществляется сцинтилляционными детекторами (см. А.И.Веретенников, В.М.Горбачев, Б.А.Предеин. Методы исследований импульсных излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.70-76). Однако при эксплуатации сцинтилляционных детекторов наблюдаются изменения характеристик как фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), так и сцинтиллятора, связанные с изменением температуры окружающей среды (температурная нестабильность), старением (длительная эксплуатация и хранение) и изменением в связи с этим номинального напряжения питания ФЭУ и времени прохождения сигнала в ФЭУ.When monitoring sources of pulsed ionizing radiation (IIIII), one of the most important parameters is the time intervals from the moment the IIIII starts to the moment the radiation appears and / or ends, as well as the amplitude value of the flux of radiation particles. Due to its high sensitivity to ionizing radiation and speed, time parameters are controlled by scintillation detectors (see A.I. Veretennikov, V.M. Gorbachev, B.A. Predein. Methods of investigation of pulsed radiation. - M.: Energoatomizdat, 1985, p. 70-76). However, during the operation of scintillation detectors, changes are observed in the characteristics of both the photomultiplier tube (PMT) and the scintillator associated with a change in ambient temperature (temperature instability), aging (long-term operation and storage), and, as a result, a change in the nominal PMT supply voltage and transit time signal in PMT.

Известно устройство для регистрации ионизирующих излучений (см. пат. РФ № 2059263, кл. G01T 1/40, 96), содержащее контрольный источник ионизирующего излучения, электромагнитный привод экрана и спектрометр, в состав которого входит сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и схема стабилизации, состоящая из двух интеграторов, блока сравнения, ключа, триггера Шмитта, регулирующего элемента, преобразователя напряжения, высоковольтного выпрямителя для питания ФЭУ.A device for recording ionizing radiation (see US Pat. RF No. 2059263, class G01T 1/40, 96), containing a control source of ionizing radiation, an electromagnetic drive of the screen and a spectrometer, which includes a scintillator, a photoelectronic multiplier and a stabilization circuit, consisting of two integrators, a comparison unit, a key, a Schmitt trigger, a control element, a voltage converter, a high-voltage rectifier for powering a PMT.

Это устройство обеспечивает стабильную чувствительность сцинтилляционного детектора во всех условиях эксплуатации.This device provides stable sensitivity of the scintillation detector in all operating conditions.

Однако при этом увеличивается фоновый поток излучения, обусловленный излучением контрольного источника, что приводит к увеличению порога обнаружения излучения и сокращению времени наработки прибора. Кроме того, известное устройство не позволяет точно определить временные интервалы между электрическим импульсом от ИИИИ и импульсом излучения, которому соответствует выходной импульс сцинтилляционного детектора.However, this increases the background radiation flux due to the radiation from the control source, which leads to an increase in the threshold for detecting radiation and to reduce the operating time of the device. In addition, the known device does not allow to accurately determine the time intervals between the electrical pulse from the IIIII and the radiation pulse, which corresponds to the output pulse of the scintillation detector.

В устройствах, использующих в цепи обратной связи светодиод в качестве опорного (контрольного) источника, фон излучения не изменяется.In devices using an LED in the feedback circuit as a reference (control) source, the radiation background does not change.

Известен портативный радиометр-спектрометр гамма-излучения (см. пат. РФ, № 2158938 RU, кл. G01T 1/40, 2000), содержащий сцинтиллятор, сопряженный с фотоэлектронным умножителем, выход которого через усилитель и аналого-цифровой преобразователь связан с микропроцессорной системой, имеющей выходы на дисплей и ЭВМ. Гамма-канал имеет систему стабилизации, включающую светодиод, сопряженный с фотоэлектронным умножителем и соединенный с импульсным генератором тока, вход которого связан с выходом микропроцессорной системы, каскад усиления, управляемый микропроцессорной системой, и цифровой датчик температуры, выход которого связан с микропроцессорной системой.A portable gamma radiation radiometer spectrometer is known (see US Pat. RF No. 2158938 RU, class G01T 1/40, 2000) containing a scintillator coupled to a photoelectronic multiplier, the output of which is connected through an amplifier and an analog-to-digital converter to a microprocessor system having outputs to the display and computer. The gamma channel has a stabilization system, which includes an LED coupled to a photomultiplier tube and connected to a pulsed current generator whose input is connected to the output of the microprocessor system, an amplification stage controlled by the microprocessor system, and a digital temperature sensor, the output of which is connected to the microprocessor system.

При использовании этого устройства не обеспечивается стабилизация чувствительности пары сцинтиллятор-ФЭУ из-за изменения световыхода сцинтиллятора, обусловленного старением сцинтиллятора, т.е. изменением конверсионной эффективности и прозрачности сцинтиллятора при длительной эксплуатации прибора, что особенно важно для приборов, работающих круглосуточно. Кроме того, в данном устройстве импульсы от светодиода проходят на выход устройства совместно с исследуемым излучением, что недопустимо при измерении одиночных импульсов от ИИИИ. С другой стороны, импульсы ФЭУ, обусловленные его шумами и исследуемым излучением, попадают в канал обратной связи и могут сбить работу системы стабилизации. Кроме того, данный прибор не позволяет точно определить временные интервалы между электрическим импульсом от ИИИИ и выходным импульсом с детектора.When using this device, the sensitivity of the scintillator-PMT pair is not stabilized due to a change in the light output of the scintillator due to aging of the scintillator, i.e. changes in the conversion efficiency and transparency of the scintillator during long-term operation of the device, which is especially important for devices working around the clock. In addition, in this device, pulses from the LED pass to the output of the device together with the studied radiation, which is unacceptable when measuring single pulses from the IIIII. On the other hand, PMT pulses due to its noise and the radiation under study fall into the feedback channel and can interfere with the stabilization system. In addition, this device does not allow you to accurately determine the time intervals between the electrical pulse from the IIIII and the output pulse from the detector.

Известно устройство для измерения времени прохождения сигнала в ФЭУ (см. ГОСТ 11612.14-75), содержащее ФЭУ, выход которого через кабель подключен к первому входу тройника, и искровой источник света, электрический импульс разряда которого через второй кабель подключен ко второму входу тройника, который подключен к входу регистратора (осциллографу). Питание ФЭУ осуществляется от высоковольтного источника питания.A device is known for measuring the signal travel time in a PMT (see GOST 11612.14-75), which contains a PMT whose output is connected through a cable to the first input of the tee, and a spark light source, the electric pulse of which discharge through the second cable is connected to the second input of the tee, which connected to the input of the recorder (oscilloscope). The PMT is powered by a high voltage power source.

Недостатками данного устройства являются погрешность оценки времени прохождения сигнала в ФЭУ, обусловленная изменением напряжения питания ФЭУ и наличием двух линий связи, длины которых могут быть случайно изменены оператором, а также нестабильность чувствительности прибора при изменении условий эксплуатации, наличие помех в цепи прибора от разряда искрового источника света, взаимное влияние выходных сопротивлений ФЭУ и искрового источника на параметры сигнала с ФЭУ.The disadvantages of this device are the error in estimating the transit time of a signal to a PMT, due to a change in the voltage of the PMT and the presence of two communication lines, the length of which can be accidentally changed by the operator, as well as the instability of the sensitivity of the device when changing operating conditions, the presence of noise in the device circuit from a spark source light, the mutual influence of the output resistances of the PMT and the spark source on the parameters of the signal from the PMT.

Наиболее близким техническим решением является сцинтилляционный детектор (см. пат. США №3254218, кл. 250-71.5, 66), который содержит сцинтиллятор, ФЭУ, выход которого через усилитель подключен к регистратору, и генератор синхронизирующих импульсов, один выход которого подключен к источнику импульсного ионизирующего излучения, а другой - через формирователь и ключ - к управляющему электроду ФЭУ, подключенному к делителю напряжения питания.The closest technical solution is a scintillation detector (see US Pat. No. 3254218, CL 250-71.5, 66), which contains a scintillator, a PMT, the output of which is connected through an amplifier to a recorder, and a clock generator, one output of which is connected to a source pulsed ionizing radiation, and the other through the shaper and the key to the PMT control electrode connected to a voltage divider.

Это устройство принято за прототип.This device is taken as a prototype.

Недостатком известного устройства является погрешность измерения временных интервалов из-за неопределенности времени прохождения сигнала в ФЭУ, погрешность измерения потока излучения из-за нестабильности чувствительности сцинтилляционного детектора при изменении условий эксплуатации в течение всего срока службы.A disadvantage of the known device is the error in measuring time intervals due to the uncertainty of the signal transit time in the PMT, the error in measuring the radiation flux due to the instability of the sensitivity of the scintillation detector when changing operating conditions throughout the entire service life.

Предлагаемое устройство решает задачи повышения точности оценки временных интервалов от начала электрического импульса ИИИИ до начала импульса излучения ИИИИ, а также стабилизации чувствительности во всех условиях эксплуатации в течение всего срока службы (при старении и наработке сцинтиллятора и ФЭУ).The proposed device solves the problem of increasing the accuracy of estimating the time intervals from the beginning of the IIIII electric pulse to the beginning of the IIIII radiation pulse, as well as stabilizing the sensitivity in all operating conditions during the entire service life (during aging and operating time of the scintillator and PMT).

Это достигается тем, что устройство для регистрации импульсного ионизирующего излучения, содержащее сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель, выход которого подключен к регистратору, делитель напряжения питания и синхронизатор, один вход которого подключен к источнику импульсного ионизирующего излучения и регистратору, а второй - ко второму входу регистратора, дополнительно содержит первый ключ между выходом ФЭУ и регистратором, последовательно подключенные к излучателю и синхронизатору, генератор импульсов тока и светодиод, который оптически связан со сцинтиллятором, и систему стабилизации чувствительности, содержащую второй оптически связанный со сцинтиллятором светодиод, который подключен ко второму генератору импульсов тока, последовательно подключенные к выходу фотоэлектронного умножителя согласующий блок, дискриминатор нижнего уровня, аналого-цифровой преобразователь, первый ключ, управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго генератора тока, первый интегратор, схему сравнения, высоковольтный выпрямитель, второй интегратор, подключенный к делителю напряжения питания, и датчик температуры, подключенный к микропроцессору, к которому подключены входы двух указанных ключей, управляющие входы генераторов тока, вторые входы первого интегратора, схемы сравнения и второго генератора тока и второй выход синхронизатора, а также тем, что оба светодиода излучают свет с длиной волны не более эффективной длины люминесценции сцинтиллятора, микропроцессор компенсирует температурную зависимость светового выхода каждого из импульсных светодиодов, а первый и второй ключи управляются микропроцессором в противофазе при регистрации импульса.This is achieved by the fact that the device for recording pulsed ionizing radiation, comprising a scintillator and a photoelectronic multiplier, the output of which is connected to the registrar, a voltage divider and a synchronizer, one input of which is connected to the pulsed ionizing radiation source and the recorder, and the second to the second input of the recorder, additionally contains the first key between the output of the PMT and the registrar, connected in series to the emitter and the synchronizer, a current pulse generator and an LED, which The first one is optically connected to the scintillator, and a sensitivity stabilization system containing a second LED that is optically connected to the scintillator and is connected to the second current pulse generator, a matching unit, a lower level discriminator, an analog-to-digital converter, a first key, and a control input are connected to the output of the photoelectronic multiplier which is connected to the control input of the second current generator, the first integrator, a comparison circuit, a high-voltage rectifier, a second integrator, connected connected to the voltage divider, and a temperature sensor connected to the microprocessor, to which the inputs of the two specified keys are connected, the control inputs of the current generators, the second inputs of the first integrator, the comparison circuit and the second current generator and the second output of the synchronizer, as well as the fact that both LEDs emit light with a wavelength of no more than the effective scintillator luminescence length, the microprocessor compensates for the temperature dependence of the light output of each of the pulsed LEDs, and the first and second control keys are microprocessor in antiphase during pulse registration.

Анализ известных решений не выявил признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного устройства критерию новизны.Analysis of known solutions did not reveal signs similar to the hallmarks of the claimed device. This allows us to conclude that the claimed device meets the novelty criterion.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показано распространение и преобразование света от светодиода в сцинтилляторе и его сбор на фотокатод фотоэлектронного умножителя, на фиг.3 показаны спектры испускания светодиода (пунктир), люминесценции сцинтиллятора при возбуждении ионизирующим излучением (точки) и светом светодиода (сплошная), на фиг.4 - температурные зависимости отклика ФЭУ на свет светодиода (штрих-пунктир) и сцинтиллятора (пунктир), а также чувствительности устройства при наличии стабилизации к ионизирующему излучению (сплошная, толстая) и импульсу светодиода (сплошная, тонкая), а также зависимость тока через светодиод для обеспечения температурной стабилизации световыхода светодиода (точки), на фиг.5 показаны амплитудно-временные диаграммы, иллюстрирующие работу ИИИИ (фиг.5а) и предлагаемого устройства: фиг.5б - импульс на управляющем входе второго ключа, фиг.5в - последовательность импульсов первого светодиода, фиг.5г - импульсы на выходе ФЭУ при контроле ИИИИ.The invention is illustrated by the drawing, where Fig. 1 is a functional diagram of the proposed device, Fig. 2 shows the propagation and conversion of light from an LED in a scintillator and its collection to the photocathode of a photoelectronic multiplier, Fig. 3 shows the emission spectra of an LED (dashed line), luminescence of the scintillator when excited by ionizing radiation (dots) and LED light (solid), Fig. 4 shows the temperature dependences of the PMT response to LED light (dash-dotted line) and scintillator (dashed line), as well as sensitivity devices in the presence of stabilization to ionizing radiation (solid, thick) and the pulse of the LED (solid, thin), as well as the dependence of the current through the LED to provide temperature stabilization of the light output of the LED (points), figure 5 shows the amplitude-time diagrams illustrating the operation of III (figa) and the proposed device: figb - pulse at the control input of the second key, figv - pulse train of the first LED, fig.5g - pulses at the output of the PMT when monitoring IIIII.

Устройство для регистрации импульсного ионизирующего излучения (фиг.1) содержит: сцинтиллятор 1, боковые поверхности которого покрыты отражателем 2, светодиод 3, который освещает внутренний объем сцинтиллятора 1, через выходное окно которого свет от сцинтиллятора 1 попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 4, выход которого подключен к первому ключу 5 и к системе автоматической стабилизации чувствительности устройства, состоящей из последовательно включенных согласующего устройства 6, дискриминатора нижнего уровня 7, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, второго ключа 9, первого интегратора 10, подключенного к первому входу схемы сравнения 11, выход которой подключен к последовательно соединенным высоковольтному источнику питания 12, второму интегратору 13 и делителю напряжения 14, подключенному к электродам ФЭУ 4. Второй вход схемы сравнения 11 подключен к опорному напряжению U_oп, регулируемому с первого выхода микропроцессора 15, второй выход микропроцессора 15 соединен со светодиодом 3 через генератор тока 16, управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго ключа 9 и третьим выходом микропроцессора 15, первый вход которого соединен с датчиком температуры 17. Четвертый выход микропроцессора 15 соединен с управляющим входом первого ключа 5, через который выход ФЭУ 4 соединен с устройством регистрации 18. Импульсный источник 19 ионизирующего излучения содержит синхронизатор 20, первый выход которого подключен к излучателю 21 и второму входу устройства регистрации 18, а через второй генератор тока 22 соединен со вторым светодиодом 23, который освещает объем сцинтиллятора 1. Второй выход синхронизатора 20 соединен с третьим входом устройства регистрации 18, вторым входом микропроцессора 15, пятый выход которого соединен с управляющим входом второго генератора тока 22, а третий вход/выход - с интегратором 10.A device for recording pulsed ionizing radiation (Fig. 1) contains: a scintillator 1, the side surfaces of which are covered with a reflector 2, an LED 3, which illuminates the internal volume of the scintillator 1, through the output window of which light from the scintillator 1 enters the photocathode of a photomultiplier tube (PMT) 4 , the output of which is connected to the first key 5 and to the system for automatically stabilizing the sensitivity of the device, consisting of sequentially connected matching device 6, a discriminator of the lower level 7, analog -digital converter (ADC) 8, the second key 9, the first integrator 10 connected to the first input of the comparison circuit 11, the output of which is connected to a series-connected high-voltage power supply 12, the second integrator 13 and the voltage divider 14 connected to the electrodes of the PMT 4. The second the input of the comparison circuit 11 is connected to a reference voltage U _op regulated from the first output of the microprocessor 15, the second output of the microprocessor 15 is connected to the LED 3 through a current generator 16, the control input of which is connected to the control the second key 9 and the third output of the microprocessor 15, the first input of which is connected to the temperature sensor 17. The fourth output of the microprocessor 15 is connected to the control input of the first key 5, through which the output of the PMT 4 is connected to the recording device 18. The pulse source of ionizing radiation 19 contains a synchronizer 20 the first output of which is connected to the emitter 21 and the second input of the recording device 18, and through the second current generator 22 is connected to the second LED 23, which illuminates the volume of the scintillator 1. The second output is sync onizatora 20 is connected to the third input register unit 18, the second input of the microprocessor 15, a fifth output is connected to the control input of the second current generator 22, and the third input / output - with an integrator 10.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При включении напряжения питания начинает работать схема стабилизации чувствительности: микропроцессор 15 открывает второй ключ 9 и синхронно запускает с заданным периодом T генератор 16 импульсов тока длительностью τ_г(фиг.5в), импульсы с которого включают светодиод 3, свет от которого с эффективной длиной волны λо проходит через выходное окно сцинтиллятора 1, освещает объем сцинтиллятора 1 и возбуждает люминесценцию сцинтиллятора 1 с характерной длиной волны высвечивания λ₁, большей чем λ_ф, λ₁>λ_ф. Возможные пути распространения света показаны на фиг.2, где показано для примера появления двух квантов люминесценции в центрах люминесценции 24 и 25: центр 24 поглотил непосредственно падающий на него свет светодиода 3, а центр 25 поглотил отраженный отражателем 2 свет светодиода 3. Далее свет от люминесценции сцинтиллятора 1, отражаясь от отражателя 2 или непосредственно из центров люминесценции, попадает на фотокатод ФЭУ 4 через выходное окно, не закрытое отражателем 2.When the supply voltage is turned on starts diagram sensitivity stabilization: the microprocessor 15 opens the second key 9 and starts synchronously with a predetermined period T of the current pulse generator 16 of duration τ _g (5c), the pulses from which comprise the LED 3, the light from which a wavelength effective λo passes through the output window of scintillator 1, illuminates the volume of scintillator 1 and excites luminescence of scintillator 1 with a characteristic emission wavelength λ ₁ greater than λ _f , λ ₁ > λ _f . Possible light propagation paths are shown in FIG. 2, where, for an example of the appearance of two luminescence quanta in luminescence centers 24 and 25, the center 24 absorbed the light of LED 3 directly incident on it, and the center 25 absorbed the light of LED 3 reflected by the reflector 2. Next, the light from the luminescence of the scintillator 1, reflected from the reflector 2 or directly from the centers of luminescence, enters the photocathode of the PMT 4 through the output window, not closed by the reflector 2.

Далее (см. фиг.1) ФЭУ 4 преобразовывает люминесценцию сцинтиллятора 1, обусловленную светодиодом 3, в электрический сигнал, который через согласующий блок 6 и через дискриминатор нижнего уровня 7, отсекающий шумы ФЭУ 4, поступает на АЦП 8, в котором амплитуда импульса от светодиода 3 преобразуется в цифровой код, который через открытый второй ключ 9 поступает на первый интегратор 10. По окончании импульса света от светодиода 3 второй ключ 9 закрывается, и импульсы с ФЭУ 4 (от излучения) не поступают в первый интегратор 10. В первом интеграторе 10 происходит усреднение амплитуд импульсов от светодиода 3, пришедших за время τ₁, и определяется среднее значение амплитуды А_св импульсов, обусловленных светодиодом 3. Это значение передается на первый вход схемы сравнения 11, которая сравнивает его с опорным напряжением U_oп, программно задаваемым микропроцессором 15 по второму входу схемы сравнения 11. Температура внешней среды измеряется датчиком температуры 17, расположенным вблизи ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1, и передается на вход микропроцессора 15 для регулирования амплитуды импульсов тока через светодиоды 3 и 23, соответственно, с генераторов 16 (второй выход микропроцессора 15) и 22 (пятый выход микропроцессора 15).Further (see Fig. 1), a PMT 4 converts the luminescence of the scintillator 1, caused by the LED 3, into an electrical signal, which, through the matching unit 6 and through the discriminator of the lower level 7, which cuts off the PMT noise 4, is fed to the ADC 8, in which the pulse amplitude from LED 3 is converted into a digital code, which, through the open second key 9, enters the first integrator 10. At the end of the light pulse from LED 3, the second key 9 closes, and pulses from the PMT 4 (from radiation) do not enter the first integrator 10. In the first integrator 10 occurrences dit averaging amplitudes of the pulses from the LED 3, come during τ _1, and determines the average value of the amplitude A _{communication} pulses caused by LED 3. This value is transmitted to a first input of the comparison circuit 11 which compares it with a reference voltage U _OP, program predeterminable by the microprocessor 15 on the second input of the comparison circuit 11. The ambient temperature is measured by a temperature sensor 17 located near the PMT 4 and scintillator 1, and transmitted to the input of the microprocessor 15 to control the amplitude of the current pulses through s etodiody 3 and 23, respectively, from generator 16 (second output of the microprocessor 15) and 22 (fifth output of the microprocessor 15).

Если среднее значение А_св импульсов от светодиода 3 не равно опорному напряжению U_oп (например, больше опорного напряжения), то схема сравнения 11 выдает разностный сигнал на высоковольтный источник питания 12, который через второй интегратор 13, работающий с постоянной времени τ₂, соответственно изменяет напряжение (уменьшает напряжение) на делителе напряжения 14, через который осуществляется питание ФЭУ. В результате чего выходной сигнал с ФЭУ 4 от светодиода 3 изменяется таким образом (уменьшается), что разница между новым значением среднего напряжения А_св1 и опорным напряжением U_oп уменьшается (то есть образуется обратная отрицательная связь). При наличии расхождения напряжения А_св1 и опорного напряжения U_oп от микропроцессора 15 схема сравнения 11 вновь дает сигнал рассогласования до тех пор, пока средняя амплитуда импульсов, обусловленных светодиодом 3, не станет равной заданному опорному напряжению U_oп. Это соответствует установлению номинального напряжения питания ФЭУ 4 и чувствительности к ионизирующему излучению пары, состоящей из ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1.If the average value of _AW pulses from the LED 3 is not equal to the reference voltage U _op (for example, more than the reference voltage), then the comparison circuit 11 generates a difference signal to the high-voltage power supply 12, which through the second integrator 13, operating with a time constant τ ₂ , respectively changes the voltage (reduces voltage) on the voltage divider 14, through which the PMT is supplied. As a result, the output signal from the PMT 4 from the LED 3 changes in such a way (decreases) that the difference between the new average voltage A _sv1 and the reference voltage U _op decreases (that is, a negative feedback is formed). If there is a discrepancy between the voltage A _sv1 and the reference voltage U _op from the microprocessor 15, the comparison circuit 11 again gives a mismatch signal until the average amplitude of the pulses caused by the LED 3 becomes equal to the specified reference voltage U _op . This corresponds to the establishment of the nominal supply voltage of the PMT 4 and the sensitivity to the ionizing radiation of the pair consisting of the PMT 4 and the scintillator 1.

Постоянная времени τ₂ второго интегратора 13 выбирается значительно больше, чем постоянная времени τ₁ в первом интеграторе, т.е. τ₂>>τ₁, чтобы обеспечить апериодическое приближение напряжения питания ФЭУ 4 к номинальному значению. Постоянная времени τ₁ зависит от частоты импульсов светодиода 3 и энергетического разрешения ФЭУ 4. Для уменьшения потери импульсов из-за просчетов частота импульсов светодиода 3 обычно не превышает частоту фоновых импульсов пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1. Этому способствует также введенный дискриминатор нижнего уровня 7. Для сцинтиллятора средних размеров частота фоновых импульсов составляет около 100 имп/с. Учитывая, что устройство предназначено для регистрации импульсного излучения, амплитуду импульсов от светодиода 3 увеличивают до уровня, соответствующего потоку излучения от излучателя 19, поэтому можно получить энергетическое разрешение ФЭУ 4 около δe=1 %, но при этом приходится снижать частоту импульсов от светодиода 3 до 1 имп/с. Для обеспечения уровня стабилизации не ниже 0.5-1% достаточно усреднить не менее 3-4 импульсов. В этом случае время усреднения первого интегратора 10 составит около 3 с, т.е. τ₁=3 с, тогда постоянная времени второго интегратора 13 составит τ₂=10τ₁, т.е τ₂=30 с, что легко обеспечивается и соответствует минимальному времени подачи напряжения питания на ФЭУ 4 для его стабильной работы.The time constant τ _{2 of the} second integrator 13 is chosen much more than the time constant τ ₁ in the first integrator, i.e. τ ₂ >> τ ₁ in order to ensure an aperiodic approximation of the PMT 4 supply voltage to the nominal value. The time constant τ ₁ depends on the pulse frequency of the LED 3 and the energy resolution of the PMT 4. To reduce the loss of pulses due to miscalculations, the pulse frequency of the LED 3 usually does not exceed the frequency of the background pulses of the PMT 4-scintillator pair 1. This is also facilitated by the introduced discriminator of the lower level 7. For a medium-sized scintillator, the frequency of background pulses is about 100 pulses / s. Given that the device is designed to detect pulsed radiation, the amplitude of the pulses from the LED 3 is increased to a level corresponding to the flux of radiation from the emitter 19, so you can get the energy resolution of the PMT 4 about δe = 1%, but you have to reduce the frequency of the pulses from LED 3 to 1 imp / s. To ensure a stabilization level of at least 0.5-1%, it is sufficient to average at least 3-4 pulses. In this case, the averaging time of the first integrator 10 will be about 3 s, i.e. τ ₁ = 3 s, then the time constant of the second integrator 13 will be τ ₂ = 10τ ₁ , i.e., τ ₂ = 30 s, which is easily ensured and corresponds to the minimum supply voltage to the PMT 4 for its stable operation.

Для того чтобы чувствительность пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 не изменялась при изменении характеристик сцинтиллятора 3, таких как прозрачность и конверсионная эффективность, светодиод 3 освещает весь объем сцинтиллятора 1 с эффективной длиной волны λо, как показано на фиг.3. В этом случае свет от светодиода 3, распространяясь по объему сцинтиллятора 1, поглощается центрами люминесценции 24, 25, которые, возвращаясь в основное состояние, излучают свет с длиной волны λ₁>λo, который, отражаясь от стенок сцинтиллятора 1 и отражателя 2, собирается на фотокатоде ФЭУ 4, что обеспечивает однородное освещение фотокатода ФЭУ 4, идентичное освещению ФЭУ 4 при регистрации сцинтилляций от ионизирующего излучения. Для повышения эффективности преобразования свечения светодиода 3 в люминесценцию сцинтиллятора 1 между сцинтиллятором 1 и светодиодом 3 может быть установлен синий светофильтр 26, который смещает спектр свечения светодиода 3 в синюю область, λ_ф<λo. В результате спектр высвечивания сцинтиллятора еще больше приближается к спектру люминесценции от ионизирующего излучения (см. фиг.3). Таким образом, вспышка света от светодиода 3 полностью имитирует возбуждение сцинтиллятора 1 ионизирующим излучением, падающим на него с внешней поверхности, как по объему возбуждения, так и по длине волны света (спектру люминесценции), освещающего фотокатод ФЭУ 4 и, следовательно, обеспечивается стабилизация чувствительности пары ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1 при изменении конверсионной эффективности и прозрачности сцинтиллятора 1, что не обеспечивается прототипом. Аналогичным образом регистрируется свет от второго светодиода 23.In order that the sensitivity of the PMT pair of the 4-scintillator 1 does not change when the characteristics of the scintillator 3, such as transparency and conversion efficiency, change, the LED 3 illuminates the entire volume of the scintillator 1 with an effective wavelength of λo, as shown in Fig. 3. In this case, the light from the LED 3, propagating throughout the volume of the scintillator 1, is absorbed by the luminescence centers 24, 25, which, returning to the ground state, emit light with a wavelength of λ ₁ > λo, which, reflected from the walls of the scintillator 1 and reflector 2, is collected at the photocathode of the PMT 4, which provides uniform illumination of the photocathode of the PMT 4, identical to the illumination of the PMT 4 when registering scintillations from ionizing radiation. To increase the efficiency of converting the glow of LED 3 into the luminescence of scintillator 1, a blue filter 26 can be installed between the scintillator 1 and LED 3, which shifts the glow spectrum of LED 3 to the blue region, λ _ф <λo. As a result, the scintillator emission spectrum is even closer to the luminescence spectrum from ionizing radiation (see figure 3). Thus, a flash of light from LED 3 completely simulates the excitation of scintillator 1 by ionizing radiation incident on it from the external surface, both in the volume of excitation and in the wavelength of light (luminescence spectrum) illuminating the photomultiplier of the PMT 4 and, therefore, sensitivity stabilization is ensured pairs of PMT 4 and scintillator 1 when changing the conversion efficiency and transparency of scintillator 1, which is not provided by the prototype. Similarly, the light from the second LED 23 is detected.

При изменении температуры внешней среды термодатчик 17 выдает сигнал на вход микропроцессора 15, который изменяет токи через светодиоды 3 и 23 так, чтобы чувствительность пары ФЭУ 4 и сцинтиллятор 1 установилась равной номинальному значению А_{св. ном} при регистрации как импульсов светодиодов 3 и 23, так и ионизирующего излучения, в результате чего схема сравнения 11 выдает сигнал рассогласования, и цикл установления номинальной чувствительности повторяется по указанному выше циклу при включении питания. Зависимость тока через светодиод 3 от температуры I_cд=f(Т) измеряется при изготовлении устройства путем построения графической (табулированной) зависимости при постоянном отношении отклика пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 на ионизирующее излучение заданной энергии (например, на гамма-квант с энергией 662 кэВ) к отклику на импульс света от светодиода 3. Табулированные значения I_cд и Т (функциональная зависимость I_cд=f(T)) вводятся в энергетически независимую память микропроцессора 15 и используются им в дальнейшем при работе устройства в качестве узловых точек, между которыми микропроцессор рассчитывает интерполированные значения I_cд(Т).When the ambient temperature changes, the temperature sensor 17 gives a signal to the input of the microprocessor 15, which changes the currents through the LEDs 3 and 23 so that the sensitivity of the PMT 4 pair and the scintillator 1 is set equal to the nominal value of A _{St. SG} when registering as a pulse LEDs 3 and 23, and ionizing radiation, whereby the comparison circuit 11 outputs the error signal, and the cycle repeats establishment of the nominal sensitivity of the above-mentioned cycle at power on. The dependence of the current through the LED 3 on the temperature I _cd = f (T) is measured in the manufacture of the device by constructing a graphical (tabulated) dependence with a constant ratio of the response of the PMT 4-scintillator 1 pair to ionizing radiation of a given energy (for example, to a gamma quantum with an energy of 662 keV) in response to a pulse of light from the LED 3. the tabulated values _Cg and I T (I functional relationship _Cg = f (T)) are input into an energy independent memory of the microprocessor 15 and used them in the future operation of the device as uzlo s points between which the microprocessor calculates I interpolated values _Cg (T).

Постоянство отношения отклика на ионизирующее излучение и на импульс светодиода 3 может быть обеспечено для трех режимов коррекции:The constancy of the response ratio to ionizing radiation and to the pulse of LED 3 can be ensured for three correction modes:

а) термостабилизация световыхода светодиода 3;a) thermal stabilization of the light output of the LED 3;

б) термостабилизация световыхода пары светодиод 3 - сцинтиллятор 1;b) thermal stabilization of the light output of a pair of LED 3 - scintillator 1;

в) термостабилизация суммарного отклика с трех элементов: светодиод 3 - сцинтиллятор 1-ФЭУ.c) thermal stabilization of the total response from three elements: LED 3 - scintillator 1-PMT.

Первый вариант более предпочтителен благодаря более простой и предсказуемой зависимости световыхода светодиода 3 от температуры - обычно линейная с градиентом минус (0.1-1)%/°С. Кроме того, данный вариант облегчает достижение постоянства световыхода у второго светодиода 23. В этом случае температурные изменения характеристик ФЭУ 4 и сцинтиллятора 1 отрабатываются системой автоматической стабилизации чувствительности по опорному импульсу светодиода 3, а ток через светодиод 3, поддерживающий постоянство его световыхода, может быть определен по формуле (показан на фиг.4 пунктиром):The first option is preferable due to a simpler and more predictable temperature dependence of the light output of LED 3 — usually linear with a gradient of minus (0.1-1)% / ° C. In addition, this option facilitates the achievement of a constant light output for the second LED 23. In this case, the temperature changes in the characteristics of the PMT 4 and scintillator 1 are processed by the automatic sensitivity stabilization system for the reference pulse of the LED 3, and the current through the LED 3, which maintains a constant light output, can be determined according to the formula (shown in dotted lines in FIG. 4):

где I_т, I₀ - ток через диод при температуре Т и начальной Т₀;where I _t , I ₀ - current through the diode at temperature T and initial T ₀ ;

j_T, J₀ - световыход светодиода 3 при температуре Т и начальной Т₀;j _T , J ₀ - light output of LED 3 at temperature T and initial T ₀ ;

k - температурный коэффициент (градиент).k is the temperature coefficient (gradient).

На фиг.4 показаны температурные зависимости отклика ФЭУ 4 на свет светодиода 3 (штрих-пунктир) и сцинтиллятора 1 (пунктир), а также чувствительности пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 после введения стабилизации к свету светодиода 3 (сплошная тонкая) и ионизирующему излучению (сплошная толстая), а также тока через светодиод 3 (точки). Как видно из фиг.4, чувствительность пары ФЭУ 4 и сцинтиллятор 1 к ионизирующему изучению (измеренная от реперного источника) при стабилизации не зависит от температуры, при этом не изменяется и амплитуда импульса от светодиода 3, что говорит о действии цепи стабилизации с учетом датчика температуры 17. Без датчика температуры 17 амплитуда импульса от светодиода 3 не изменялась бы, но изменялась бы амплитуда от реперного ионизирующего излучения.Figure 4 shows the temperature dependences of the response of the PMT 4 to the light of LED 3 (dash-dotted line) and scintillator 1 (dashed line), as well as the sensitivity of the PMT 4-scintillator pair after stabilization was introduced to the light of LED 3 (solid thin) and ionizing radiation ( solid thick), as well as current through LED 3 (dots). As can be seen from figure 4, the sensitivity of the PMT 4 pair and scintillator 1 to an ionizing study (measured from a reference source) during stabilization does not depend on temperature, while the pulse amplitude does not change from LED 3, which indicates the action of the stabilization circuit taking into account the sensor temperature 17. Without a temperature sensor 17, the amplitude of the pulse from the LED 3 would not change, but the amplitude of the reference ionizing radiation would change.

После установления номинальной чувствительности предлагаемое устройство ожидает прихода двух импульсов синхронизации от ИИИИ 19. Первый импульс А (фиг.5а) со второго выхода синхронизатора 20 переводит устройство регистрации 18 и предлагаемое устройство в режим готовности регистрации импульса излучения, для чего микропроцессор 15 переводит первый ключ 5 в открытое состояние на время t₁ (см. фиг.5б) для прохождения выходных импульсов с ФЭУ 4 на устройство регистрации 18, при этом отключает генератор тока 16 и закрывает второй ключ 9, запомнив и поддерживая последнее значение напряжения на выходе первого интегратора 10, в результате чего прекращается последовательность импульсов с генератора 16 (при наложении импульса А на импульс светодиода 3, длительность последнего (зачерненного) сокращается до момента прихода импульса А, см. фиг.5в), и разрывается обратная связь в схеме стабилизации, но на ФЭУ 4 сохраняется последнее значение напряжения питания в течение всего интервала времени t₁, при этом импульсы от светодиода 3 не проходят через ФЭУ 4 и на устройство регистрации 18.After establishing the nominal sensitivity, the proposed device expects the arrival of two synchronization pulses from III III 19. The first pulse A (Fig. 5a) from the second output of the synchronizer 20 puts the recording device 18 and the proposed device into standby mode for registering a radiation pulse, for which the microprocessor 15 transfers the first key 5 in an open state at time t ₁ (see FIG. 5b) for the passage of the output pulses from the photomultiplier 4 to the recording device 18, the current generator 16 turns off and closes the second switch 9, and under memorizing Holding the last voltage value at the output of the first integrator 10, as a result, the pulse train from the generator 16 is terminated (when pulse A is superimposed on the pulse of LED 3, the duration of the last (blackened) decreases until pulse A arrives, see Fig. 5c), and breaks feedback in the stabilization scheme, but on the PMT 4 the last value of the supply voltage is stored for the entire time interval t ₁ , while the pulses from the LED 3 do not pass through the PMT 4 and to the recording device 18.

Через время t₂ после импульса А синхронизатор 20 с первого выхода подает второй импульс Б для запуска излучателя 21 (см. фиг.5 а), который также проходит через второй генератор тока 22 на второй светодиод 23, световыход которого термостабилизируется микропроцессором 15 в соответствии с сигналом от датчика температуры 17 по управляющему входу генератора тока 22, аналогично термостабилизации светодиода 3. Импульс от светодиода 23 с интенсивностью, пропорциональной амплитуде импульса со второго выхода синхронизатора 20, освещает весь объем сцинтиллятора 1, в результате происходит фотолюминесценция сцинтиллятора 1, которая преобразуется ФЭУ 4 в электрический импульс, пропорциональный амплитуде импульса Б от синхронизатора 20, который проходит через открытый первый ключ 5 на вход устройства регистрации 18, но с задержкой τ_ф(см. фиг.5 в) относительно импульса Б, равной времени прохождения сигнала в ФЭУ 4.After time t ₂ after pulse A, the synchronizer 20 from the first output delivers a second pulse B to start the emitter 21 (see Fig. 5 a), which also passes through the second current generator 22 to the second LED 23, the light output of which is thermally stabilized by the microprocessor 15 in accordance with the signal from the temperature sensor 17 at the control input of the current generator 22, similar to the thermal stabilization of the LED 3. The pulse from the LED 23 with an intensity proportional to the amplitude of the pulse from the second output of the synchronizer 20, illuminates the entire volume of the scintill ora 1, resulting in the photoluminescence of the scintillator 1, the photomultiplier is converted into an electric pulse 4, the amplitude is proportional to the pulse B from synchronizer 20, which extends through the open first switch 5 to input the registration unit 18, but with a delay of τ _f (see Fig. 5 C) relative to the pulse B equal to the time of passage of the signal in the PMT 4.

Через время t_н после импульса Б излучатель 21 излучает импульс излучения ИИ (см. фиг.5а), который преобразуется сцинтиллятором 1 и ФЭУ 4 в электрический импульс, задержанный относительно импульса ИИ на время τ_фпрохождения сигнала в ФЭУ 4. По окончании всех процессов в излучателе 21 (интервал t₁) микропроцессор 15 включает цепь обратной связи: интегратор 10 разблокируется, второй ключ 9 открывается и запускается первый генератор импульсов тока 16, который включает светодиод 3, импульс с которого сцинтиллятором 1 и ФЭУ 4 преобразуется в электрический сигнал, который проходит, как контрольный импульс В (см. фиг.5г), на устройство регистрации 18 через еще открытый первый ключ 5, также с задержкой τ_ф. По окончании импульса В микропроцессор 15 закрывает первый ключ 5, и схема стабилизации устанавливает/поддерживает номинальную чувствительность устройства по описанному выше циклу (см. фиг.5в). Таким образом, на регистраторе 18 зарегистрированы три импульса (см. фиг.5г), соответствующие электрическому импульсу Б синхронизатора 20 (от второго светодиода 23), импульсу ионизирующего излучения ИИ излучателя 19 и контрольному импульсу В сигнала обратной связи от светодиода 3.After time t _n after pulse B, emitter 21 emits an AI radiation pulse (see Fig. 5a), which is converted by the scintillator 1 and PMT 4 into an electric pulse delayed relative to the AI pulse by the time τ _{f of} the signal passing through the PMT 4. At the end of all processes a radiator 21 (t ₁ interval) microprocessor 15 includes a feedback loop: the integrator 10 is unlocked, the second switch 9 is opened and starts a first current pulse generator 16 which includes a LED 3, the momentum with which the scintillator and the photomultiplier 1 4 is converted into electrical signal which passes as a control pulse B (see. fig.5g) for registration device 18 via the still open first switch 5, also with a delay of τ _f. At the end of pulse B, the microprocessor 15 closes the first key 5, and the stabilization circuit sets / maintains the nominal sensitivity of the device according to the above cycle (see Fig. 5c). Thus, three pulses are recorded on the recorder 18 (see FIG. 5d), corresponding to the electric pulse B of the synchronizer 20 (from the second LED 23), the ionizing radiation pulse of the AI emitter 19, and the control pulse B of the feedback signal from the LED 3.

Все эти импульсы задержаны на выходе ФЭУ 4 на один и тот же интервал τ_ф, равный времени прохождения сигнала в ФЭУ 4, поэтому погрешность измерения интервала времени t_н, обусловленная ФЭУ 4, равна нулю. Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является то, что непосредственно перед работой ИИИИ 19 и сразу после срабатываний излучателя 21 обеспечен двойной контроль чувствительности пары ФЭУ 4-сцинтиллятор 1 по амплитуде выходного сигнала ФЭУ 4 от импульса Б синхронизатора 20 (светодиод 23) и от импульса В светодиода 3 в цепи обратной связи. Дополнительно по известному значению интервала времени t₃=t₁-t₂ можно контролировать работу предлагаемого устройства и устройства регистрации 18 при оценке временного интервала t_н. Передача информации об интервалах времени по одному кабелю, электрическая развязка цепей регистрации и излучения повышают надежность контроля и помехозащищенность тракта регистрации.All these pulses are delayed at the output of the PMT 4 for the same interval τ _f equal to the time of the signal in the PMT 4, therefore, the error in measuring the time interval t _n caused by the PMT 4 is zero. An additional advantage of the proposed device is that immediately before the operation of IIIII 19 and immediately after the emitter 21 is activated, the sensitivity of the PMT 4-scintillator 1 pair is double-controlled by the amplitude of the PMT 4 output signal from pulse B of synchronizer 20 (LED 23) and from pulse B of LED 3 in the feedback loop. Additionally, the known value of the time interval t ₃ = t ₁ -t ₂ you can control the operation of the proposed device and the recording device 18 when evaluating the time interval t _n The transmission of information about time intervals over a single cable, the electrical isolation of the registration and radiation circuits increase the reliability of control and the noise immunity of the registration path.

При проведении технического обслуживания проверяется положение пика от реперной линии ионизирующего излучения в режиме регистрации ионизирующего излучения и положение пика от светодиода 3 в режиме контроля, в котором микропроцессор 15 устанавливает первый ключ 5 в открытое состояние после окончания процесса стабилизации одновременно с открыванием второго ключа 9.During maintenance, the position of the peak from the reference line of ionizing radiation in the mode of registration of ionizing radiation and the position of the peak from the LED 3 in the control mode, in which the microprocessor 15 sets the first key 5 to the open state after the stabilization process is completed simultaneously with the opening of the second key 9, are checked.

Claims

1. A device for recording pulsed ionizing radiation, comprising a scintillator and a photoelectronic multiplier, the output of which is connected to a recording device, a voltage divider and a synchronizer, one input of which is connected to a pulse source of ionizing radiation and a recording device, and the second to the second input of the recording device, characterized in that it further comprises a first key between the output of the photoelectronic multiplier and the recording device, connected in series to the emitter and a synchronizer, a current generator and an LED that is optically coupled to the scintillator, and a sensitivity stabilization system, comprising a second LED that is optically coupled to the scintillator and connected to a second current generator, a matching device, a lower level discriminator, an analog-to-digital converter, connected in series to the output of the photoelectronic multiplier, the second key, the control input of which is connected to the control input of the second current generator, the first integrator, the comparison circuit, high-voltage A solid power source, a second integrator connected to a voltage divider, and a temperature sensor connected to a microprocessor, to which key inputs, control inputs of current generators, second inputs of the first integrator, comparison circuit and second current generator and the second synchronizer output are connected.

2. The device according to claim 1, characterized in that both LEDs emit light with a wavelength of not more than the effective length of the luminescence of the scintillator.

3. The device according to claim 1, characterized in that the microprocessor compensates for the temperature dependence of the light output of each of the LEDs.

4. The device according to claim 1, characterized in that the first and second keys are controlled by the microprocessor in antiphase when registering a pulse of ionizing radiation and synchronously during the control measurement at the end of the radiation pulse.