RU2646542C1 - Scintillational gamma spectrometer - Google Patents

Scintillational gamma spectrometer Download PDF

Info

Publication number
RU2646542C1
RU2646542C1 RU2016150789A RU2016150789A RU2646542C1 RU 2646542 C1 RU2646542 C1 RU 2646542C1 RU 2016150789 A RU2016150789 A RU 2016150789A RU 2016150789 A RU2016150789 A RU 2016150789A RU 2646542 C1 RU2646542 C1 RU 2646542C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spectrometer
scintillator
time
temperature
scintillation
Prior art date
Application number
RU2016150789A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Валентинович Игнатьев
Максим Павлович Белоусов
Максим Александрович Горбунов
Сергей Геннадьевич Морозов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Атом Электроникс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Атом Электроникс" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2016150789A priority Critical patent/RU2646542C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2646542C1 publication Critical patent/RU2646542C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/36Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to scintillation γspectrometers, more precisely to energy spectrometers based on scintillators NaI:Tl, CsI:Tl, CsI:Na, LaCl3:Ce and others, characterized by multicomponent light flashes with a strong dependence of the fluorescence time constants on the crystal temperature. To exclude the influence of this dependence on the spectrometer speed, over a wide temperature range, spectrometer composition, detector pulse processor of which may contain a shortening circuit with pole compensation by zero, is added with additional similar shortening circuits with constant time on the input side in pairs equal to the time constants of the exponential components of the primary electric pulse to be shortened at the output of the photosensor optically articulated with the scintillator, time constants on the output side of said circuits are chosen to be larger than the decay time constant of the nearest faster component to prevent the formation of an ejection of opposite polarity, and the time constants on the input side of the shortening circuits tuned to the exponential components of the primary signal, automatically change when the operating temperature changes in accordance with the laws of temperature variation of the scintillator fluorescence components.
EFFECT: exclusion of the effect on the spectrometer speed.
1 cl, 13 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области сцинтилляционных γ-спектрометров, точнее к спектрометрам энергий на основе сцинтилляторов NaI:Tl, CsI:Tl, CsI:Na, LaCl3:Ce и других, характеризующихся многокомпонентными световыми вспышками.The present invention relates to the field of scintillation γ-spectrometers, more specifically to energy spectrometers based on scintillators NaI: Tl, CsI: Tl, CsI: Na, LaCl 3 : Ce and others characterized by multicomponent light flashes.

Принцип действия любого сцинтилляционного γ-спектрометра состоит в преобразовании энергий поглощенных в сцинтилляторе гамма-квантов в относительно короткие световые вспышки с пропорциональным числом фотонов; сборе фотонов сцинтилляций на чувствительной поверхности фотосенсоров, конвертирующих световые импульсы в электрические импульсы тока; усилении и преобразовании импульсов тока в пропорциональные импульсы напряжения, жесткой привязки базовой линии спектрометра к нулю (устранение дрейфа и флуктуаций исходного уровня); придании детекторным импульсам заданной формы (с помощью аналогового или цифрового формирователя); выявлении и отбраковке импульсов, чьи амплитуды искажены взаимными наложениями во времени и коррекции просчетов (коррекции мертвого времени); преобразовании амплитуд отобранных импульсов в цифровые коды, сортировке этих кодов и построении аппаратурных энергетических спектров измеряемых излучений; компенсации температурных вариаций световыхода сцинтиллятора. Пики в аппаратурном спектре отражают энергии зарегистрированных γ-квантов, а их площади - содержание нуклида в пробе.The principle of operation of any scintillation γ-spectrometer is to convert the energies of gamma rays absorbed in the scintillator into relatively short light flashes with a proportional number of photons; collecting scintillation photons on the sensitive surface of photosensors that convert light pulses into electrical current pulses; amplification and conversion of current pulses into proportional voltage pulses, tight reference of the spectrometer base line to zero (elimination of drift and fluctuations of the initial level); giving detector pulses a given shape (using an analog or digital driver); identification and rejection of pulses whose amplitudes are distorted by mutual overlapping in time and correction of miscalculations (correction of dead time); converting the amplitudes of the selected pulses into digital codes, sorting these codes and constructing the instrumental energy spectra of the measured emissions; compensation of temperature variations of the scintillator light output. The peaks in the instrumental spectrum reflect the energies of the detected gamma quanta, and their areas reflect the nuclide content in the sample.

Классический сцинтилляционный γ-спектрометр (фиг. 1) [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль V. 15 (2011) №4. с. 429-438] содержит: детектирующий модуль 1, состоящий из оптически соединенных неорганического сцинтиллятора (чаще всего NaI:T1) и вакуумного фотоэлектронного умножителя (РМТ), а также высоковольтного источника питания фотоумножителя (High voltage source) и датчика температуры сцинтиллятора (для использования при температурной стабилизации шкалы спектрометра); линейный усилитель 2; процессор детекторных импульсов 3, включающий в себя схему дифференцирования с "компенсацией полюса нулем" (P-Z-differentiator); стабилизатор базовой линии (Base-line stabilizer), две или три секции активных интеграторов (Active integrators), аналого-цифровой преобразователь (Analogue-to-digital convenor - ADC), устройство таймирования (временной привязки) к спектрометрическим импульсам (Timing circuit), инспектор наложенных импульсов (Pile-up inspector) и корректор "мертвого" времени спектрометра (Dead time corrector); контроллер с интерфейсом 4 (Controller & Interface) для управления процессором детекторных импульсов и двусторонней связи с компьютером.Classical scintillation γ-spectrometer (Fig. 1) [Belousov M.R. et al. Portable scintillation gamma-ray spectrometer STARK-01. Analytics and control V. 15 (2011) No. 4. from. 429-438] contains: a detecting module 1, consisting of optically connected inorganic scintillator (most often NaI: T1) and a vacuum photoelectron multiplier (PMT), as well as a high voltage photomultiplier power supply (High voltage source) and a scintillator temperature sensor (for use with temperature stabilization of the spectrometer scale); linear amplifier 2; a processor for detector pulses 3, including a differentiation circuit with "compensation of the pole zero" (P-Z-differentiator); Base-line stabilizer, two or three sections of active integrators, analogue-to-digital convenor (ADC), timing device for timing spectrometric pulses (Timing circuit), Pile-up inspector and corrector for the dead time corrector; controller with interface 4 (Controller & Interface) for controlling the processor of detector pulses and two-way communication with a computer.

Структуры сцинтилляционных спектрометров могут незначительно отличаться от показанной на фиг. 1. Так вместо вакуумного фотоэлектронного умножителя (РМТ) могут применяться полупроводниковые фотосенсоры - кремниевые фотодиоды (PhD), лавинные фотодиоды (APhD) или кремниевые фотоумножители (SiPM). PhD не имеют внутреннего усиления числа образованных носителей электрического заряда (электронов и дырок), а усиление в APhD лежит в пределах 50-100 раз (для РМТ и SiPM усиление может достигать 106 раз). Если вместо РМТ применяются PhD или APhD, то между выходом фотосенсора и входом линейного усилителя включают низкошумящий зарядочувствительный предусилитель (ChA) для компенсации отсутствия или малого собственного усиления этих фотосенсоров. Применение ChA в иных случаях крайне нежелательно, т.к. из-за длинных фронтов импульсов, образующихся при интегрировании импульса тока зарядочувствительным предусилителем, точная временная привязка к ним всегда затруднительна.The structures of scintillation spectrometers may slightly differ from those shown in FIG. 1. So instead of a vacuum photomultiplier tube (PMT), semiconductor photosensors can be used - silicon photodiodes (PhD), avalanche photodiodes (APhD) or silicon photomultipliers (SiPM). PhDs do not have an internal gain in the number of formed charge carriers (electrons and holes), and the gain in APhD is in the range of 50-100 times (for PMT and SiPM, the gain can reach 10 6 times). If PhD or APhD is used instead of PMT, then a low-noise charge-sensitive preamplifier (ChA) is included between the output of the photosensor and the input of the linear amplifier to compensate for the absence or small self-amplification of these photosensors. The use of ChA in other cases is extremely undesirable, because Due to the long edges of the pulses generated during the integration of the current pulse by the charge-sensitive preamplifier, accurate timing to them is always difficult.

Сцинтилляционные вспышки имеют вид одной или суммы нескольких спадающих во времени экспонент с крутым (0,1÷10 нс) фронтом и относительно медленным спадом [Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2014 г. 323 с.]. Постоянная времени спада световой вспышки называется постоянной времени высвечивания сцинтиллятора τd. Для практически применяемых неорганических сцинтилляторов τd лежит в пределах от 15 нс до нескольких мкс.Scintillation flashes have the form of one or the sum of several exponentially decaying in time with a steep (0.1 ÷ 10 ns) front and a relatively slow decline [Akimov Yu.K. Photonic radiation registration methods. Dubna: JINR, 2014. 323 pp.]. The decay time constant of a light flash is called the scintillator decay time constant τ d . For practical inorganic scintillators, τ d lies in the range from 15 ns to several microseconds.

Важнейшей характеристикой спектрометра является энергетическое разрешение, определяемое как ширина пика полного поглощения γ-квантов с энергией Eγ на половине высоты (Full Width on Half Maximum - FWHM), а также относительное энергетическое разрешение η=FWHM/Eγ. Сцинтилляционные γ-спектрометры принято характеризовать и сравнивать между собой по относительному энергетическому разрешению на линии источника 137Cs с энергией Eγ=662 кэВ. Энергетическое разрешение сцинтилляционного спектрометра с РМТ и SiPM имеет две главные составляющие [Moszynski М. et al. Temperature dependences of LaBr3(Ce), LaCl3(Ce) and NaI(T1) scintillators. Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 568 (2006) 739-751]: собственное энергетическое разрешение ηint (неоднородности сцинтилляционного кристалла) и статистическая составляющая ηst (вероятностный характер преобразования энергий γ-квантов в числа носителей электрических зарядов). Полное энергетическое разрешение ηtot получается квадратичным суммированием этих составляющих:The most important characteristic of the spectrometer is the energy resolution, defined as the width of the peak of the total absorption of γ-rays with energy E γ at half height (Full Width on Half Maximum - FWHM), as well as the relative energy resolution η = FWHM / E γ . It is customary to characterize and compare scintillation γ-spectrometers by relative energy resolution on the 137 Cs source line with an energy E γ = 662 keV. The energy resolution of a scintillation spectrometer with PMT and SiPM has two main components [Moszynski M. et al. Temperature dependences of LaBr3 (Ce), LaCl3 (Ce) and NaI (T1) scintillators. Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 568 (2006) 739-751]: intrinsic energy resolution η int (inhomogeneities of the scintillation crystal) and statistical component η st (probabilistic nature of the conversion of γ-quantum energies to the number of charge carriers). The total energy resolution η tot is obtained by quadratic summation of these components:

Figure 00000001
Figure 00000001

Первая составляющая (ηint) определяется материалом кристалла сцинтиллятора и технологией его выращивания. Вторая, и преобладающая, статистическая составляющая во многом зависит от того, как построен электронный тракт спектрометра. Значение ηst дается формулой (2):The first component (η int ) is determined by the material of the scintillator crystal and the technology of its growth. The second, and predominant, statistical component largely depends on how the electronic path of the spectrometer is built. The value of η st is given by formula (2):

Figure 00000002
Figure 00000002

где N - число первичных носителей электрического заряда (фотоэлектронов).where N is the number of primary carriers of electric charge (photoelectrons).

Figure 00000003
Figure 00000003

где LY - световыход сцинтиллятора, т.е. число испущенных фотонов света на 1 кэВ энергии поглощенного γ-кванта или заряженной частицы (LY≈35 для NaI:T1); QE - квантовая эффективность фотокатода РМТ или кристалла SiPM (QE=0,25÷0,43 для фотоумножителей Hamamatsu в области длин волн высвечивания NaI.T1).where LY is the scintillator light output, i.e. the number of emitted light photons per 1 keV of energy of the absorbed γ-quantum or charged particle (LY≈35 for NaI: T1); QE is the quantum efficiency of the PMT photocathode or SiPM crystal (QE = 0.25 ÷ 0.43 for Hamamatsu photomultipliers in the region of emission wavelengths NaI.T1).

В спектрометрах энергий ионизирующих излучений электрической величиной, линейно связанной с поглощенной в рабочем веществе детектора энергией γ-кванта, является амплитуда импульса оптимальной (с точки зрения светосбора и быстродействия) формы, измеряемая с помощью аналого-цифрового преобразователя (ADC). Относительные флуктуации амплитуд на входе ADC будут тем меньше, чем больше фотонов световых вспышек и, соответственно, первичных электронов фотосенсора вносят свой вклад в формирование этих амплитуд. Следовательно, первое требование к сформированным импульсам - время Tpeak достижения ими амплитудного (пикового) значения должно быть достаточно большим, чтобы сцинтилляционные вспышки к этому моменту затухали до уровня, например, 5÷10% (сбор 95÷90% фотонов).In ionizing radiation energy spectrometers, the electric quantity linearly related to the γ-quantum energy absorbed in the detector’s working substance is the pulse amplitude of the optimal shape (from the point of view of light collection and speed), measured using an analog-to-digital converter (ADC). The relative amplitude fluctuations at the ADC input will be the smaller, the more photons of light flashes and, accordingly, the primary electrons of the photosensor contribute to the formation of these amplitudes. Therefore, the first requirement for the generated pulses is the time T peak for them to reach the amplitude (peak) value so that the scintillation flares decay to this level, for example, 5–10% (collection of 95–90% of photons).

Второе требование к сформированным импульсам вытекает из статистического характера распределения γ-квантов или заряженных частиц во времени и необходимости применения спектрометра в интенсивных полях излучения. Чем выше интенсивность излучения (число γ-квантов в единицу времени) и чем длиннее сформированные импульсы, тем вероятнее их взаимное перекрытие во времени и, следовательно, искажение их амплитуд. Важнейшим параметром спектрометра, характеризующим его быстродействие, является микроскопическое мертвое время TD [Игнатьев О.В. Сравнение возможностей аналоговых и цифровых спектрометров рентгеновского излучения с полупроводниковыми детекторами. Аналитика и контроль (2006) №3-4, с. 223-232]. Оно определяется как сумма минимально возможных интервалов времени между моментами возникновения данного спектрометрического импульса, предыдущего и последующего, при которой не происходит искажение из-за наложений амплитуды Vmax данного импульса. Для идеально спроектированного спектрометра с время-инвариантным формированием сигналов TD просто равно сумме времен достижения максимума Tpeak и спада импульса TF, т.е. полной длительности Tw сформированного детекторного сигнала (фиг. 2). Длительность спадающей части сформированных детекторных импульсов TF обычно измеряется как время от момента максимума Tpeak до достижения уровня 1% или 0,1% Vmax.The second requirement for the generated pulses follows from the statistical nature of the distribution of γ-quanta or charged particles in time and the need to use a spectrometer in intense radiation fields. The higher the radiation intensity (the number of γ-quanta per unit time) and the longer the generated pulses, the more probable their mutual overlap in time and, consequently, the distortion of their amplitudes. The most important spectrometer parameter characterizing its speed is microscopic dead time T D [O. Ignatiev. Comparison of the capabilities of analog and digital x-ray spectrometers with semiconductor detectors. Analytics and Control (2006) No. 3-4, p. 223-232]. It is defined as the sum of the minimum possible time intervals between the moments of occurrence of a given spectrometric pulse, the previous and the next, at which there is no distortion due to overlapping amplitude V max of this pulse. For an ideally designed spectrometer with time-invariant signal generation, T D is simply equal to the sum of the times of reaching the maximum T peak and the pulse decay T F , i.e. the total duration T w of the generated detector signal (Fig. 2). The duration of the decaying part of the generated detector pulses T F is usually measured as the time from the maximum T peak to the level of 1% or 0.1% V max .

Зависимость скорости накопления кодов амплитуд Ro "очищенных" от наложений импульсов от интенсивности Ri детектируемых сцинтиллятором γ-квантов дается формулой (4):The dependence of the rate of accumulation of the amplitude codes R o “cleaned” from the imposition of pulses on the intensity R i of the γ-quanta detected by the scintillator is given by formula (4):

Figure 00000004
Figure 00000004

На фиг. 3 показана зависимость (4) для спектрометра со сцинтиллятором NaI:T1 при условиях: τd=225 ns; Tpeak=5,92 τd; Tw≈16τd (квазигауссово формирование на 3-х активных интеграторах с τintd). Отметим, что с ростом статистической загрузки по входу спектрометра свыше Ri≥Rmax происходит уменьшение скорости накопления спектра из-за уменьшения числа неискаженных взаимными наложениями спектрометрических импульсов.In FIG. Figure 3 shows dependence (4) for a spectrometer with a NaI: T1 scintillator under the conditions: τ d = 225 ns; T peak = 5.92 τd ; T w ≈16τ d (quasi-Gaussian formation on 3 active integrators with τ int = τ d ). Note that with increasing statistical load at the spectrometer input above R i ≥R max , the spectrum accumulation rate decreases due to a decrease in the number of spectrometric pulses that are not distorted by mutual overlapping.

Таким образом, свойства сцинтилляционного γ-спектрометра будут оптимальными с точки зрения энергетического разрешения и быстродействия, если сформированные детекторные импульсы будут достигать максимума при t=Tpeak после спада сцинтилляционной вспышки до уровня 5÷10%, а время спада TF будет удовлетворять условию (5):Thus, the properties of the scintillation γ-spectrometer will be optimal in terms of energy resolution and speed if the generated detector pulses reach a maximum at t = T peak after the scintillation burst decays to the level of 5 ÷ 10%, and the decay time T F satisfies the condition ( 5):

Figure 00000005
Figure 00000005

Эти требования достаточно легко удовлетворяются на практике, если имеется одна постоянная высвечивания сцинтиллятора τd, достаточно стабильная при изменении температуры. Спектрометр со структурой на фиг. 1 предназначен для применения именно в этих условиях - сцинтилляторы LaBr3:Ce и YAlO3:Ce, примененные в работах [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль V.15 (2011) №4. с. 429-438; Belousov М.Р. et al. Scintillation spectrometer SBL-1 for the x-ray densitometer of radioactive technological solutions. Analytics and Control V. 17 (2013) №1, P. 21-26] действительно имеют по одной стабильной постоянной высвечивания τd (16 нс для LaBr3:Ce и 25 нс для YAlO3:Ce).These requirements are quite easily satisfied in practice, if there is one scintillator flashing constant τ d that is stable enough when the temperature changes. A spectrometer with the structure of FIG. 1 is intended for use in these conditions - scintillators LaBr 3 : Ce and YAlO 3 : Ce, used in [Belousov M.R. et al. Portable scintillation gamma-ray spectrometer STARK-01. Analytics and control V.15 (2011) No. 4. from. 429-438; Belousov M.R. et al. Scintillation spectrometer SBL-1 for the x-ray densitometer of radioactive technological solutions. Analytics and Control V. 17 (2013) No. 1, P. 21-26] indeed have one stable emission constant τ d (16 ns for LaBr 3 : Ce and 25 ns for YAlO 3 : Ce).

Многие из применяемых в коммерческих спектрометрах сцинтилляторов, например NaI:T1, CsI:T1, LaCl3:Ce и другие, имеют две и более компонент высвечивания. Характерной особенностью является то, что чем медленнее компонента высвечивания, тем в большей степени ее постоянная времени зависит от температуры. Рассмотрим свойства спектрометра со старейшим и наиболее широко применяемым сцинтиллятором NaI:T1 в условиях широкого диапазона изменения температуры окружающей среды.Many of the scintillators used in commercial spectrometers, for example, NaI: T1, CsI: T1, LaCl 3 : Ce, and others, have two or more emission components. A characteristic feature is that the slower the highlighting component, the more its time constant depends on temperature. Let us consider the properties of a spectrometer with the oldest and most widely used NaI: T1 scintillator under conditions of a wide range of changes in the ambient temperature.

До относительно недавнего времени было общепринято, что сцинтиллятор NaI:T1 имеет одну стабильную постоянную времени высвечивания τd=230 нс [Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. New York, 1999 John Wiley & Sons, Inc. 802 p.; Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2014 г. 323 с.]. Соответственно, при проектировании спектрометров с этим сцинтиллятором их структура и настройки создавались исходя из этого значения τd [Drndarevic V. et al. Amplifier with time-invariant trapezoidal shaping and shape-sensitive pileup rejector for high-rate spectroscopy. IEEE Trans, on Nucl. See. (1989) v. 36, №1, p. 1326-1329; Dudin S.V. et al. A fast signal processor for Nal(TI) detectors. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 352 (1995) 610-613]. В первой работе достигнута статистическая загрузка по входу Ri≥3×105 1/с при Tpeak≈345 нс TD≈575 нс, а во второй - Ri≥106 1/с при Tpeak≈225 нс TD≈1250 нс.Until relatively recently, it was generally accepted that the NaI: T1 scintillator has one stable emission time constant τ d = 230 ns [Knoll GF Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. New York, 1999 John Wiley & Sons, Inc. 802 p .; Akimov Yu.K. Photonic radiation registration methods. Dubna: JINR, 2014. 323 pp.]. Accordingly, when designing spectrometers with this scintillator, their structure and settings were created based on this value of τ d [Drndarevic V. et al. Amplifier with time-invariant trapezoidal shaping and shape-sensitive pileup rejector for high-rate spectroscopy. IEEE Trans, on Nucl. See. (1989) v. 36, No. 1, p. 1326-1329; Dudin SV et al. A fast signal processor for Nal (TI) detectors. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 352 (1995) 610-613]. In the first work, the statistical load at the input R i ≥3 × 10 5 1 / s at T peak ≈345 ns T D ≈575 ns was achieved, and in the second, R i ≥10 6 1 / s at T peak ≈225 ns T D ≈1250 ns.

В работе [Moszynski М. et al. Temperature dependences of LaBr3(Ce), LaCl3(Ce) and NaI(T1) scintillators. Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 568 (2006) 739-751] показано, что для сцинтиллятора NaI:T1 характерны как минимум две компоненты высвечивания с очень сильными зависимостями их параметров от температуры. На фиг. 4 приведены температурные зависимости интенсивностей, а на фиг. 5 - постоянных времени высвечивания. Из приведенных зависимостей следуют выводы:In the work [Moszynski M. et al. Temperature dependences of LaBr3 (Ce), LaCl3 (Ce) and NaI (T1) scintillators. Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 568 (2006) 739-751] showed that the scintillator NaI: T1 is characterized by at least two emission components with very strong temperature dependences of their parameters. In FIG. 4 shows the temperature dependences of the intensities, and in FIG. 5 - constants of flashing time. From the above dependencies, the conclusions follow:

1. При построении быстродействующего спектрометра необходимо учитывать медленную компоненту высвечивания. Ее вклад в энергию световой вспышки при комнатной температуре около 20%, а постоянная времени τds почти в 5 раз больше, чем постоянная времени основной, быстрой компоненты τdf≈225 нс.1. When constructing a high-speed spectrometer, it is necessary to take into account the slow emission component. Its contribution to the light flash energy at room temperature is about 20%, and the time constant τ ds is almost 5 times greater than the time constant of the main, fast component, τ df ≈225 ns.

2. Влияние медленной компоненты возрастает с понижением температуры ниже комнатной.2. The influence of the slow component increases with decreasing temperature below room temperature.

Реальная форма импульса тока фотокатода для сцинтиллятора NaI.T1 (без учета статистических флуктуаций и без учета сверхбыстрой компоненты, наличие которой не подтверждено другими работами) показана на фиг. 6. Там же приведена нормированная на единицу временная зависимость числа испущенных фотонов света (образованных в веществе фотокатода электронов), позволяющая оценить требуемое значение Tpeak, при котором 90 или 95% фотонов вспышки внесут свой вклад в значение Vmax сформированного детекторного импульса. Из графика временной зависимости числа испущенных фотонов можно сделать вывод о том, что момент измерения амплитуды должен удовлетворять условию (6):The real shape of the photocathode current pulse for the NaI.T1 scintillator (without taking into account statistical fluctuations and without taking into account the ultrafast component, the presence of which is not confirmed by other works) is shown in FIG. 6. The time dependence of the number of emitted light photons (formed in the material of the electron photocathode) normalized to unity is also given, which makes it possible to estimate the required value of T peak , at which 90 or 95% of the flash photons will contribute to the value V max of the generated detector pulse. From the graph of the time dependence of the number of emitted photons, we can conclude that the moment of measurement of the amplitude must satisfy condition (6):

Figure 00000006
Figure 00000006

Сигнал, полученный после интегрирования импульса тока фотосенсора 3-мя активными интеграторами (иногда ограничиваются 2-мя) с постоянной интегрирования τintdf=225 нс, показан на фиг. 7. Параметры этого импульса таковы: Tpeak=1,22τds; Tw≈TD=4,5τds; Tw/Tpeak≈3,68 (идеальный гауссиан характеризуется Tw/Tpeak≈2,0). В случае отсутствия медленной компоненты высвечивания сформированный импульс был бы гораздо более симметричным, а микроскопическое мертвое время гораздо меньше: Tpeak=1,20τds; Tw≈TD=3,0τds; Tw/Tpeak≈2,5. Именно для этих параметров рассчитана передаточная характеристика спектрометра, показанная на фиг. 3. Задача получения более коротких сформированных детекторных импульсов, при том что условие (6) выполнено и, соответственно, увеличение быстродействия спектрометра частично решается стандартным образом - укорачиванием показанного на фиг. 6. двухкомпонентного экспоненциального импульса с помощью показанной на фиг. 1 схемы дифференцирования с "компенсацией полюса нулем" (P-Z-differentiator). При этом, в силу того что импульс состоит из двух компонент, на выходе дифференциатора невозможно получить однокомпонентный однополярный импульс с произвольно малой постоянной времени спада. Сцинтилляционная вспышка LF(t) при наличии двух компонент высвечивания в первом приближении описывается выражением (7):The signal obtained after integrating the photosensor current pulse with 3 active integrators (sometimes limited to 2) with an integration constant τ int = τ df = 225 ns is shown in FIG. 7. The parameters of this pulse are as follows: T peak = 1.22τ ds ; T w ≈T D = 4,5τ ds ; T w / T peak ≈ 3.68 (an ideal Gaussian is characterized by T w / T peak ≈ 2.0). In the absence of a slow emission component, the generated pulse would be much more symmetrical, and the microscopic dead time would be much less: T peak = 1.20τ ds ; T w ≈T D = 3.0τ ds ; T w / T peak ≈2.5. It is for these parameters that the transfer characteristic of the spectrometer, shown in FIG. 3. The task of obtaining shorter formed detector pulses, while condition (6) is fulfilled and, accordingly, the increase in speed of the spectrometer is partially solved in a standard way - by shortening the one shown in FIG. 6. a two-component exponential pulse with the help shown in FIG. 1 differentiation schemes with "compensation of the pole zero" (PZ-differentiator). Moreover, due to the fact that the pulse consists of two components, it is impossible to obtain a single-component unipolar pulse with an arbitrarily small decay time constant at the output of the differentiator. A scintillation burst LF (t) in the presence of two emission components in the first approximation is described by expression (7):

Figure 00000007
Figure 00000007

где Eγ - энергия, оставленная γ-квантом в веществе сцинтиллятора;where E γ is the energy left by the γ-quantum in the substance of the scintillator;

LY - световыход сцинтиллятора, фотонов на кэВ поглощенной энергии;LY - light output of scintillator, photons per keV of absorbed energy;

Af и As - относительные интенсивности быстрой и медленной компонент;A f and A s are the relative intensities of the fast and slow components;

τdf и τds - постоянные времени высвечивания быстрой и медленной компонент.τ df and τ ds are the time constants of the emission of the fast and slow components.

Импульс тока I(t) на фотокатоде фотоэлектронного умножителя (или иного фотосенсора) описывается такой же по виду функцией с соответствующими коэффициентами:The current pulse I (t) at the photocathode of the photoelectron multiplier (or other photosensor) is described by the same function with the corresponding coefficients:

Figure 00000008
Figure 00000008

где QE - квантовая эффективность фотосенсора.where QE is the quantum efficiency of the photosensor.

Если бы импульс тока (или напряжения) представлял собой одну экспоненту, например медленную Is(t), и описывался бы второй частью выражения (8), то выбрав соответствующим образом параметры дифференциатора, на его выходе получали бы экспоненциальный импульс с уменьшенной в любое число раз постоянной времени τout=R1⋅R2C/(R1+R2). Действительно, применив преобразование Лапласа, имеем изображение импульса на входе P-Z-дифференциатора:If the current (or voltage) impulse represented one exponent, for example, the slow I s (t), and was described by the second part of expression (8), then by choosing the differentiator parameters accordingly, an exponential impulse would be obtained at its output with any number decreased times the time constant τ out = R 1 ⋅ R 2 C / (R 1 + R 2 ). Indeed, applying the Laplace transform, we have the image of the pulse at the input of the PZ-differentiator:

Figure 00000009
Figure 00000009

где p - комплексная переменная преобразования Лапласа.where p is the complex variable of the Laplace transform.

Передаточная функция P-Z-дифференциатора в операторном виде дается выражением (10):The transfer function of the P-Z-differentiator in the operator form is given by the expression (10):

Figure 00000010
Figure 00000010

где m - коэффициент, показывающий во сколько раз уменьшается τin.where m is a coefficient showing how many times τ in decreases.

Коэффициент m, для показанной на фиг. 1 реализации дифференциатора, равен:Coefficient m, for that shown in FIG. 1 implementation of the differentiator is equal to:

Figure 00000011
Figure 00000011

Если выбрать R1C=τinds, то при перемножении (9) и (10) и сокращении скобок в знаменателе (9) и в числителе (10) вновь получается операторная функция, описывающая экспоненциальный сигнал, но уже с постоянной времени τout, которая в m раз меньше исходной τds. В этом и состоит компенсация полюса (знаменателя) изображения сигнала нулем (числителем) передаточной функции дифференциатора.If we choose R 1 C = τ in = τ ds , then by multiplying (9) and (10) and shortening the brackets in the denominator (9) and in the numerator (10), we again obtain the operator function that describes the exponential signal, but already with a time constant τ out , which is m times smaller than the initial τ ds . This is the compensation of the pole (denominator) of the signal image by the zero (numerator) of the transfer function of the differentiator.

В случае, когда импульс представляет собой суперпозицию 2-х и более экспонент, попытка выполнить "короткое" дифференцирование, когда τout≤τdf, приводит лишь к образованию у сигналов выбросов противоположной полярности из-за того, что параметры дифференциатора не согласованы с постоянной времени быстрой экспоненты. Образующийся выброс увеличивает длительность сформированных детекторных импульсов Tw, а быстродействие спектрометра падает. На фиг. 8 показано действие дифференциатора с компенсацией полюса нулем на обе компоненты и на импульс в целом, являющемся их суперпозицией. Строго униполярный импульс получается для m=1,195. При этом отрицательный выброс с амплитудой ≈1% от Vmax, образующийся у быстрой компоненты, компенсируется укороченной медленной компонентой. Более сильное укорачивание (m>1,195) приводит к увеличению выброса у быстрой компоненты, образованию отрицательного выброса у суммарного импульса и, следовательно, увеличению его длительности. После интегрирования 3-мя активными интеграторами с τintdf=225 нс формируется квазигауссов импульс с параметрами: Tpeak=1,2τds; Tw=TD=3,0τds; Tw/TPeak≈2,5. Такие же параметры достигаются в случае, когда исходный импульс имеет только одну, быструю, компоненту. Если исходный импульс тока состоит из большего числа компонент, например 3-х, как в случае сцинтиллятора CsI:T1 [Grodzicka М. et al. Characterization of CsI:T1 at a wide temperature range (-40°C to+22°C). Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 707 (2013) 73-79], где τ1=730 нс (47,5%), τ2=3,1 мкс (30%), τ3=16 мкс (22.5%), то однократное укорачивание исходного импульса с компенсацией полюса нулем оказывается неэффективным. Для сбора 95% фотонов необходимо обеспечить Tpeak=1,5τ3, а допустимое значение степени укорачивания без образования выброса составляет величину m=1,25. 3-кратное активное интегрирование с τint=1,5τ2 дает квазигауссовы импульсы с нужным значением Tpeak (1,5τ3) и неважной симметрией - отношение Tw/Tpeak≈3,1. Это значительно хуже, чем в случае интегрирования 2-компонентных сигналов от NaI:T1 (здесь Tw/Tpeak≈2,70).In the case when the pulse is a superposition of 2 or more exponentials, an attempt to perform “short” differentiation when τ out ≤ τ df only leads to the formation of emission signals of opposite polarity due to the fact that the differentiator parameters are not consistent with the constant time exponent fast. The resulting surge increases the duration of the generated detector pulses T w , and the speed of the spectrometer decreases. In FIG. Figure 8 shows the action of a differentiator with pole compensation by zero on both components and on the pulse as a whole, which is their superposition. A strictly unipolar impulse is obtained for m = 1.195. In this case, a negative outlier with an amplitude of ≈1% of V max generated by the fast component is compensated by the shortened slow component. A stronger shortening (m> 1.195) leads to an increase in the ejection of the fast component, the formation of a negative ejection in the total pulse and, consequently, an increase in its duration. After integration with 3 active integrators with τ int = τ df = 225 ns, a quasi-Gaussian pulse is formed with the parameters: T peak = 1.2τ ds ; Tw = T D = 3.0τ ds ; T w / T Peak ≈2.5. The same parameters are achieved when the initial pulse has only one fast component. If the initial current pulse consists of a larger number of components, for example 3, as in the case of the CsI: T1 scintillator [Grodzicka M. et al. Characterization of CsI: T1 at a wide temperature range (-40 ° C to + 22 ° C). Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 707 (2013) 73-79], where τ 1 = 730 ns (47.5%), τ 2 = 3.1 μs (30%), τ 3 = 16 μs (22.5%), then a single shortening of the initial pulse with pole compensation of zero, it turns out to be ineffective. To collect 95% of the photons, it is necessary to provide T peak = 1.5τ 3 , and the admissible value of the degree of shortening without the formation of an outlier is m = 1.25. 3-fold active integration with τ int = 1.5τ 2 gives quasi-Gaussian pulses with the desired value of T peak (1.5τ 3 ) and unimportant symmetry - the ratio T w / T peak ≈3.1. This is significantly worse than in the case of integration of 2-component signals from NaI: T1 (here T w / T peak ≈ 2.70).

Другой недостаток классического сцинтилляционного спектрометра-прототипа [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль V. 15 (2011) №4. с. 429-438] с кристаллами, имеющими несколько компонент высвечивания, связан со значительным изменением под действием температуры постоянных времени высвечивания компонент сцинтилляций (см. фиг. 5, например). На фиг. 9 на основании данных работы [Moszynski М. et al. Temperature dependences of LaBr3(Ce), LaCl3(Ce) and NaI(T1) scintillators. Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 568 (2006) 739-751] представлено изменение сформированного детекторного импульса при понижении температуры от комнатной до -22°C (типичная ситуация для портативных γ-спектрометров в полевых условиях, где допустимый нижний предел температуры может быть -25°C).Another disadvantage of the classic scintillation spectrometer prototype [Belousov M.R. et al. Portable scintillation gamma-ray spectrometer STARK-01. Analytics and control V. 15 (2011) No. 4. from. 429-438] with crystals having several luminescence components, it is associated with a significant change in the time constants of the scintillation components under the influence of temperature (see Fig. 5, for example). In FIG. 9 based on data from [Moszynski M. et al. Temperature dependences of LaBr3 (Ce), LaCl3 (Ce) and NaI (T1) scintillators. Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 568 (2006) 739-751] presents the change in the generated detector pulse when the temperature decreases from room temperature to -22 ° C (a typical situation for portable γ-spectrometers in the field, where the permissible lower temperature limit can be -25 ° C).

Можно видеть, что длительность сформированного детекторного импульса Tw, а соответственно и микроскопическое мертвое время TD увеличиваются в 2 раза, т.е. с понижением температуры в такое же число раз падает быстродействие спектрометра. Это критически много.It can be seen that the duration of the generated detector pulse T w and, accordingly, the microscopic dead time T D increase by 2 times, i.e. with decreasing temperature, the speed of the spectrometer decreases by the same number of times. This is critically many.

Недостатками сцинтилляционного спектрометра - прототипа [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль V. 15 (2011) №4. с. 429-438] являются следующие:The disadvantages of the scintillation spectrometer prototype [Belousov M.R. et al. Portable scintillation gamma-ray spectrometer STARK-01. Analytics and control V. 15 (2011) No. 4. from. 429-438] are as follows:

1. При двух и более компонентах высвечивания сцинтиллятора существуют ограничения в допустимой степени укорачивания детекторных импульсов - может быть укорочена только самая медленная компонента и после укорачивания она остается более медленной, чем предыдущая, более быстрая компонента.1. With two or more scintillator emission components, there are limitations to the permissible degree of shortening of the detector pulses - only the slowest component can be shortened and after shortening it remains slower than the previous, faster component.

2. Из-за сильной температурной зависимости постоянных времени высвечивания компонент сцинтилляционной вспышки оптимальное укорачивание первичных детекторных импульсов возможно только в узком температурном интервале.2. Due to the strong temperature dependence of the emission time constants of the scintillation burst components, the optimal shortening of the primary detector pulses is possible only in a narrow temperature range.

Задачей изобретения является создание гамма-спектрометра со сцинтилляторами, имеющими несколько компонент высвечивания, в котором энергия сцинтилляционных вспышек максимально полно трансформируется в амплитуды электрических импульсов, чья длительность минимальна для достижения предельного быстродействия и стабильна в широком диапазоне изменения рабочей температуры.The objective of the invention is to provide a gamma spectrometer with scintillators having several emission components, in which the energy of scintillation flashes is fully transformed into the amplitudes of electrical pulses, whose duration is minimal to achieve maximum speed and is stable over a wide range of operating temperature.

Указанная задача решается тем, что в состав спектрометра, процессор детекторных импульсов которого может содержать схему укорачивания с компенсацией полюса нулем, вводятся дополнительные аналогичные схемы укорачивания с постоянными времени со стороны входов, попарно равными постоянным времени подлежащих укорачиванию экспоненциальных составляющих первичного электрического импульса на выходе оптически сочлененного со сцинтиллятором фотосенсора, при этом постоянные времени со стороны выходов упомянутых схем выбираются большими, чем постоянная времени спада ближайшей более быстрой компоненты для предотвращения образования выброса противоположной полярности, а постоянные времени со стороны входа схем укорачивания, настроенных на экспоненциальные компоненты первичного сигнала, автоматически изменяются при изменении рабочей температуры в соответствии с законами температурного изменения компонент высвечивания сцинтиллятора.This problem is solved by the fact that the spectrometer, the processor of the detector pulses of which may contain a shortening circuit with pole compensation by zero, introduces additional similar shortening circuits with time constants from the inputs that are pairwise equal to the time constants of the exponential components of the primary electric pulse that are shortened at the output of the optically coupled with a photosensor scintillator, while the time constants from the outputs of the mentioned circuits are chosen large, the decay time constant of the nearest faster component to prevent the formation of an outlier of opposite polarity, and the time constants on the input side of the shortening circuits tuned to the exponential components of the primary signal automatically change when the operating temperature changes in accordance with the laws of the temperature change of the scintillator emission components.

Реализация спектрометра показана на фиг. 10, где приведена одна из возможных конструкций. Заявляемый спектрометр содержит последовательно включенные: детектирующий модуль 1, состоящий из оптически соединенных неорганического сцинтиллятора с двумя или более постоянными высвечивания и вакуумного (РМТ) или полупроводникового (SiPM) фотоэлектронного умножителя, а также высоковольтного источника питания фотоумножителя (high voltage source) и датчика температуры сцинтиллятора; линейный усилитель 2; модуль дифференцирования 3, содержащий как минимум один дифференциатор с "компенсацией полюса нулем", чья постоянная времени со стороны входа согласована с постоянной времени высвечивания наиболее медленной компоненты сцинтилляционной вспышки и изменяется в функции от температуры сцинтиллятора синхронно с изменением от температуры упомянутой постоянной высвечивания, а постоянная времени со стороны выхода превышает постоянную времени высвечивания ближайшей более быстрой компоненты; процессор детекторных импульсов 4, включающий в себя дифференциатор с "компенсацией полюса нулем", согласованный по входу с одной из быстрых компонент высвечивания сцинтиллятора, стабилизатор базовой линии, две или три секции активных интеграторов, аналого-цифровой преобразователь, устройство таймирования спектрометрических импульсов, инспектор наложенных импульсов и корректор "мертвого" времени спектрометра; контроллер с интерфейсом 5 для управления процессором детекторных импульсов и двусторонней связи с компьютером.The implementation of the spectrometer is shown in FIG. 10, where one of the possible designs is given. The inventive spectrometer contains in series: a detecting module 1, consisting of an optically connected inorganic scintillator with two or more emission constants and a vacuum (PMT) or semiconductor (SiPM) photomultiplier tube, as well as a high voltage photomultiplier power supply (high voltage source) and a scintillator temperature sensor ; linear amplifier 2; differentiation module 3, containing at least one differentiator with "compensation of the pole zero", whose time constant on the input side is consistent with the time constant of emission of the slowest component of the scintillation flash and varies as a function of the temperature of the scintillator synchronously with the temperature of the aforementioned radiation constant, and the constant time on the output side exceeds the time constant of the flashing of the nearest faster component; detector pulse processor 4, including a differentiator with “pole-zero compensation”, matched by input to one of the fast scintillator emission components, a baseline stabilizer, two or three sections of active integrators, an analog-to-digital converter, a spectrometer pulse timing device, an inspector superimposed pulses and corrector "dead" time of the spectrometer; controller with interface 5 for controlling the processor of detector pulses and two-way communication with a computer.

Главные отличия заявляемого сцинтилляционного γ-спектрометра, показанного на фиг. 10 от спектрометра-прототипа на фиг. 1, состоят в следующем:The main differences of the inventive scintillation γ-spectrometer shown in FIG. 10 from the spectrometer prototype in FIG. 1, are as follows:

1. Введен модуль дифференцирования 3, содержащий один или несколько дифференциаторов с "компенсацией полюса нулем". Общее число дифференциаторов, включая имеющийся в процессоре детекторных импульсов 4, равно числу экспоненциальных составляющих первичного электрического сигнала, подлежащих укорачиванию. Входные постоянные времени каждого из дифференциаторов попарно согласуются с постоянными времени подлежащих укорачиванию компонент первичного электрического импульса, а выходные постоянные времени должны превышать постоянную времени ближайшей более быстрой компоненты импульса.1. Differentiation module 3 has been introduced, containing one or more differentiators with "zero pole compensation". The total number of differentiators, including the detector pulses 4 available in the processor, is equal to the number of exponential components of the primary electric signal to be shortened. The input time constants of each of the differentiators are matched in pairs with the time constants of the components of the primary electric pulse to be shortened, and the output time constants must exceed the time constant of the nearest faster pulse component.

2. Постоянные времени со стороны входа дифференциаторов, предназначенных для укорачивания медленных компонент импульса, изменяются синхронно и в том же направлении с изменением температуры, что и соответствующие им постоянные времени высвечивания сцинтиллятора. Для этого используется имеющийся в детектирующем модуле датчик температуры сцинтилляционного кристалла и хранящиеся в контроллере 5 таблицы температурных зависимостей величин медленных постоянных высвечивания.2. The time constants on the input side of the differentiators, designed to shorten the slow components of the pulse, change synchronously and in the same direction with a change in temperature as the corresponding scintillator time constants. For this, the temperature sensor of the scintillation crystal available in the detection module is used and the temperature dependences of the values of the slow illumination constants stored in the controller 5 are used.

Укорачивание многокомпонентных детекторных импульсов на примере сцинтиллятора NaI:T1 иллюстрируется на фиг. 11.The shortening of multicomponent detector pulses using the NaI: T1 scintillator as an example is illustrated in FIG. eleven.

"P-Z"-дифференциатор 3 на фиг. 10 настроен на медленную компоненту высвечивания сцинтиллятора NaI:T1, т.е. τin1ds=1,1 мкс. При комнатной температуре его "выходная" постоянная времени τout1ds/1,195, как было описано выше. Начальная часть импульса на его выходе и составляющих его компонент показана на фиг. 11а (повторяет фиг. 8). Второй "P-Z"-дифференциатор, размещенный в данном случае в процессоре детекторных импульсов 4, согласуется с быстрой компонентой высвечивания, т.е. τin2df=0,225 мкс. Условием получения униполярного импульса с минимальной длительностью на выходе этого дифференциатора является τout2df/1,25. Форма импульса на выходе второго "P-Z"-дифференциатора и составляющих его двух компонент приведены на фиг. 11b. Сравнение графиков показывает, что униполярный импульс вновь получается взаимной компенсацией дважды укороченной униполярной медленной компоненты и отрицательной части дважды укороченной быстрой компоненты, чей переход через ноль после второго укорачивания с коэффициентом n=1.25 происходит раньше. Результат - получение более короткого униполярного импульса с эффективной постоянной времени τeffdf. С очень высокой степенью точности можно утверждать, что τeffdf/n=225/1,25=180 нс.The "PZ" differentiator 3 in FIG. 10 is tuned to the slow emission component of the NaI: T1 scintillator, i.e. τ in1 = τ ds = 1.1 μs. At room temperature, its “output” time constant is τ out1 = τ ds / 1,195, as described above. The initial part of the pulse at its output and its component components is shown in FIG. 11a (repeats FIG. 8). The second "PZ" -differentiator, located in this case in the processor of the detector pulses 4, is consistent with the fast emission component, i.e. τ in2 = τ df = 0.225 μs. The condition for obtaining a unipolar pulse with a minimum duration at the output of this differentiator is τ out2 = τ df / 1.25. The shape of the pulse at the output of the second “PZ” -differentiator and the two components comprising it are shown in FIG. 11b. A comparison of the graphs shows that the unipolar impulse is again obtained by mutual compensation of the twice shortened unipolar slow component and the negative part of the twice shortened fast component, whose transition through zero after the second shortening with the coefficient n = 1.25 occurs earlier. The result is a shorter unipolar pulse with an effective time constant τ effdf . With a very high degree of accuracy, it can be argued that τ eff = τ df / n = 225 / 1.25 = 180 ns.

Возможность получения таким путем более коротких и строго униполярных импульсов доказывается математически строго.The possibility of obtaining shorter and strictly unipolar pulses in this way is proved mathematically rigorously.

Окончательно сформированный детекторный импульс (два "P-Z"-дифференцирования и 3 стадии активного интегрирования) имеет параметры: микроскопическое мертвое время TD=Tw=2,9τds; время достижения максимума Tpeak=1,15; Tw/Tpeak≈2,5.The finally formed detector pulse (two “PZ” derivations and 3 stages of active integration) has the parameters: microscopic dead time T D = T w = 2.9τ ds ; maximum time Tpeak = 1.15; T w / T peak ≈2.5.

При уменьшении температуры окружающей среды, благодаря введенным подстройкам "входных" постоянных времени τin1 и первого τin2 "P-Z"-дифференциаторов по показаниям датчика температуры сцинтилляционного кристалла, обеспечивается постоянство формы сформированных детекторных импульсов на входе аналого-цифрового преобразователя. На фиг. 12 показано влияние температуры сцинтиллятора NaI:T1 (Т=-20°C) на форму квазигауссова импульса в следующих условиях: τds=1,6 мкс, As=0,6, τdf=450 нс, Af=0,4 при условиях, когда автоматически подстраиваются постоянные времени обоих дифференциаторов (сплошные линии) и в случае автоподстройки лишь τin1 (пунктирная линия).With decreasing ambient temperature, due to the introduced adjustments of the "input" time constants τ in1 and the first τ in2 "PZ" differentiators according to the readings of the temperature sensor of the scintillation crystal, the shape of the generated detector pulses at the input of the analog-to-digital converter is constant. In FIG. Figure 12 shows the effect of the NaI scintillator temperature: T1 (Т = -20 ° C) on the shape of a quasi-Gaussian pulse under the following conditions: τ ds = 1.6 μs, A s = 0.6, τ df = 450 ns, A f = 0, 4 under conditions when the time constants of both differentiators are automatically adjusted (solid lines) and in the case of auto-tuning only τ in1 (dashed line).

Сравнивая данные фиг. 9 и фиг. 12, можно видеть, что температурная автоподстройка постоянной времени только "медленного" дифференциатора 3 на фиг. 10 не обеспечивает полной инвариантности формы импульсов к температурным изменениям постоянных высвечивания сцинтиллятора. Введение в структуру спектрометра второго "P-Z"-дифференциатора с температурной автоподстройкой входной постоянной времени оправдано даже в случае, когда при нормальных условиях форма и длительность импульсов после однократного укорачивания могут считается удовлетворительными.Comparing the data of FIG. 9 and FIG. 12, it can be seen that the temperature self-tuning of the time constant of only the “slow” differentiator 3 in FIG. 10 does not provide complete invariance of the pulse shape to temperature changes in the scintillator constants. The introduction of a second “P-Z” differentiator with a temperature-locked loop of the input time constant into the spectrometer structure is justified even when, under normal conditions, the shape and duration of the pulses after a single shortening can be considered satisfactory.

Одна из возможных технических реализаций "P-Z"-дифференциатора с управляемой в функции от температуры постоянной времени со стороны входа показана на фиг. 13.One of the possible technical implementations of the “P-Z” differentiator with the temperature-controlled time constant on the input side is shown in FIG. 13.

Показанный на схеме "a" резистор Radj выполняет роль переменного делителя импульсного напряжения, поступающего на Ri. При нахождении движка Radj в крайнем верхнем положении τin=CdRi. При нахождении движка Radj в крайнем нижнем положении τin=∝, т.е. "Р-Z"-дифференциатор превращается в обычный CR-дифференциатор и на его выходе получается униполярный импульс только в одном случае - когда на входе действует бесконечная по времени "ступень" напряжения. На практике всегда стремятся выполнять условие Radj>>Ri. Этим обеспечивается постоянство "выходной" постоянной времени, определяемой произведением Cd на сопротивление в точке соединения Ri, Ro и Cd. Буферный каскад изолирует дифференциатор от влияния последующих электронных схем.Shown in the circuit "a", the resistor R adj plays the role of a variable divider of the pulse voltage supplied to R i . When the engine R adj is in its highest position, τ in = C d R i . When the engine R adj is in the lowest position, τ in = ∝, i.e. The "P-Z" -differentiator turns into a regular CR-differentiator and at its output a unipolar pulse is obtained only in one case - when the voltage step that is infinite in time acts at the input. In practice, they always strive to fulfill the condition R adj >> R i . This ensures the constancy of the "output" time constant determined by the product of C d by the resistance at the junction point R i , R o and C d . The buffer cascade isolates the differentiator from the influence of subsequent electronic circuits.

Схема "b" совершенно аналогична рассмотренной. Роль резистора Radj здесь выполняет линейный усилитель с программно-управляемым усилением (выпускаются в виде микросхем). При указанных пределах изменения усиления эффективное значение τin может с определенным шагом меняться в пределах τin_eff=CdRi/(0,2÷5).Scheme "b" is completely similar to that considered. The role of the resistor R adj here is performed by a linear amplifier with program-controlled gain (available in the form of microcircuits). With the indicated limits of gain variation, the effective value of τ in can vary with a certain step within τ in_eff = C d R i / (0.2 ÷ 5).

Технический результат применения заявляемого сцинтилляционного гамма-спектрометра состоит в том, что увеличивается быстродействие и расширяется температурный диапазон применения спектрометров со сцинтилляционными кристаллами, имеющими две и более компонент высвечивания со значительной температурной зависимостью постоянных высвечивания.The technical result of the application of the inventive scintillation gamma-ray spectrometer is that the speed increases and the temperature range of the use of spectrometers with scintillation crystals, having two or more emission components with a significant temperature dependence of the emission constant, is expanded.

Перечень фигур графических изображений.The list of figures of graphic images.

Фиг. 1. Обобщенная структура классического сцинтилляционного γ-спектрометраFIG. 1. Generalized structure of a classical scintillation γ-spectrometer

Фиг. 2. Определение микроскопического мертвого времени TD. Стрелками показаны моменты возникновения γ-квантов, инициировавших сформированные детекторные импульсыFIG. 2. Determination of microscopic dead time T D. The arrows indicate the moments of occurrence of gamma rays initiating the generated detector pulses

Фиг. 3. Передаточная характеристика спектрометра со сцинтиллятором NaI:T1FIG. 3. Transfer characteristic of a spectrometer with a NaI scintillator: T1

Фиг. 4. Температурные зависимости интенсивностей компонент высвечивания NaI:T1. Fast - быстрая (основная) компонента; superfast - сверхбыстрая компонента; slow - медленнаяFIG. 4. Temperature dependences of the intensities of the NaI: T1 flashing components. Fast - fast (main) component; superfast - superfast component; slow - slow

Фиг. 5. Температурные зависимости постоянных времени высвечивания NaI:T1FIG. 5. Temperature dependences of the luminescence time constants NaI: T1

Фиг. 6. Форма вспышки NaI:T1 и нормализованная зависимость числа испущенных фотонов от времени. Время в единицах медленной постоянной высвечивания τds=1,1 мксFIG. 6. NaI: T1 flare shape and normalized time dependence of the number of emitted photons. The time in units of slow flash constant τ ds = 1.1 μs

Фиг. 7. Сформированный детекторный импульс на выходе 3-го активного интегратораFIG. 7. Formed detector pulse at the output of the 3rd active integrator

Фиг. 8. Действие дифференциатора, согласованного с параметрами медленной компоненты на составляющие импульса и на импульс в целом. Показаны основания импульсов. Быстрая компонента описывается 2-мя экспонентамиFIG. 8. The action of the differentiator, consistent with the parameters of the slow component on the components of the pulse and on the pulse as a whole. The bases of the pulses are shown. The fast component is described by 2 exhibitors

Фиг. 9. Температурное изменение сформированного импульса с укороченной в 1,195 раза медленной компонентой для спектрометра с кристаллом NaI:T1: τds увеличивается при понижении температуры до -22°C с 1,1 до 1,6 мкс, относительная интенсивность As возрастает с 20 до 40% при снижении относительной интенсивности быстрой компоненты с 80 до 60%FIG. 9. The temperature change of the generated pulse with a 1.195-fold shortened slow component for a spectrometer with a NaI: T1: τ ds crystal increases with decreasing temperature to -22 ° C from 1.1 to 1.6 μs, the relative intensity A s increases from 20 to 40% with a decrease in the relative intensity of the fast component from 80 to 60%

Фиг. 10. Структура заявляемого сцинтилляционного γ-спектрометраFIG. 10. The structure of the inventive scintillation γ-spectrometer

Фиг. 11. Начальные части импульсов после первого (a) и второго (b) укорачиваний. Укороченная быстрая компонента описывается 2-мя экспонентамиFIG. 11. The initial parts of the pulses after the first (a) and second (b) shortenings. The shortened fast component is described by 2 exhibitors

Фиг. 12. Нормализованные по амплитуде квазигауссовы импульсы спектрометра с кристаллом NaI:T1 и автоподстройкой входных постоянных времени "P-Z"-дифференциаторов при двух значениях температуры. Сплошная линия - автоподстройка двух дифференциаторов, пунктирная - автоподстройка дифференциатора медленной компонентыFIG. 12. Amplitude-normalized quasi-Gaussian pulses of a spectrometer with a NaI: T1 crystal and self-tuning of input time constants of “P-Z” differentiators at two temperatures. The solid line is the auto-tuning of the two differentiators, the dotted line is the auto-tuning of the differentiator of the slow component

Фиг. 13. "P-Z"-дифференциаторы: стандартная схема с ручной подстройкой "входной" постоянной времени (а) и дифференциатор с программным управлением "входной" постоянной времени (b). Aadj - линейный усилитель с программно-управляемым усилениемFIG. 13. "PZ" -differentiators: a standard circuit with manual adjustment of the "input" time constant (a) and a differentiator with programmed control of the "input" time constant (b). A adj - linear amplifier with programmable gain

Claims (1)

Сцинтилляционный спектрометр ионизирующих излучений, содержащий сцинтилляционный кристалл с несколькими компонентами высвечивания, например CsI:T1 или NaI:T1; датчик температуры сцинтилляционного кристалла и находящийся в оптическом контакте со сцинтилляционным кристаллом фотосенсор с внутренним усилением, выход которого соединен с низкоомным входом электронного канала, включающего линейный усилитель, процессор детекторных импульсов и контроллер с интерфейсом внешних устройств, отличающийся тем, что между выходом линейного усилителя и аналоговым входом процессора детекторных импульсов включены одна или несколько дифференцирующих цепей "с компенсацией полюса нулем", постоянные времени которых со стороны входов равны попарно постоянным времени высвечивания сцинтиллятора, а постоянные времени со стороны выходов упомянутых схем выбираются большими, чем постоянная времени спада ближайшей более быстрой компоненты, при этом дифференцирующие цепи, настроенные по входам на постоянные высвечивания сцинтиллятора с существенной зависимостью от температуры сцинтиллятора, снабжены устройствами автоматической подстройки по командам контроллера постоянных времени со стороны входа к температурным изменениям упомянутых постоянных времени высвечивания.Scintillation spectrometer of ionizing radiation, containing a scintillation crystal with several emission components, for example, CsI: T1 or NaI: T1; a temperature sensor of the scintillation crystal and an internal-amplified photosensor in optical contact with the scintillation crystal, the output of which is connected to a low-impedance input of the electronic channel, including a linear amplifier, a processor of detector pulses and a controller with an interface of external devices, characterized in that between the output of the linear amplifier and analog the input of the processor of the detector pulses includes one or more differentiating circuits "with pole-zero compensation", time constants which, on the input side, are equal to the scintillator flashing time constants in pairs, and the time constants on the output side of the mentioned circuits are chosen larger than the decay time constant of the nearest faster component, while the differentiating circuits tuned by the inputs to the scintillator flashing constants with a significant dependence on the scintillator temperature, equipped with automatic adjustment devices according to the commands of the constant time controller from the input side to the temperature changes of the aforementioned nnyh decay time.
RU2016150789A 2016-12-22 2016-12-22 Scintillational gamma spectrometer RU2646542C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150789A RU2646542C1 (en) 2016-12-22 2016-12-22 Scintillational gamma spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150789A RU2646542C1 (en) 2016-12-22 2016-12-22 Scintillational gamma spectrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2646542C1 true RU2646542C1 (en) 2018-03-05

Family

ID=61568845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016150789A RU2646542C1 (en) 2016-12-22 2016-12-22 Scintillational gamma spectrometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2646542C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750130C1 (en) * 2020-12-11 2021-06-22 Общество с ограниченной ответственностью «ПОЛИТЕХФОРМ-М» (ООО «ПОЛИТЕХФОРМ-М») Search scintillation detector of gamma radiation for operation in wide temperature range

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU873176A1 (en) * 1980-01-21 1981-10-15 Особое Конструкторское Бюро Технической Кибернетики Ленинградского Ордена Ленина Политехнического Института Им.М.И.Калинина Scintillation detector unit
US7081626B2 (en) * 2004-06-02 2006-07-25 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for temperature correction and expanded count rate of inorganic scintillation detectors
RU2392642C1 (en) * 2009-04-20 2010-06-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method for increase of operational speed of ionising radiation spectrometres with semiconductor and other detectors without inner amplification
RU2597668C1 (en) * 2015-05-15 2016-09-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of suppressing avalanche noise in spectrometers with slow scintillators and silicon photoelectron multipliers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU873176A1 (en) * 1980-01-21 1981-10-15 Особое Конструкторское Бюро Технической Кибернетики Ленинградского Ордена Ленина Политехнического Института Им.М.И.Калинина Scintillation detector unit
US7081626B2 (en) * 2004-06-02 2006-07-25 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for temperature correction and expanded count rate of inorganic scintillation detectors
RU2392642C1 (en) * 2009-04-20 2010-06-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method for increase of operational speed of ionising radiation spectrometres with semiconductor and other detectors without inner amplification
RU2597668C1 (en) * 2015-05-15 2016-09-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of suppressing avalanche noise in spectrometers with slow scintillators and silicon photoelectron multipliers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
М.П. Белоусов и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль. 2011. Т. 15. N4. С. 429-438. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750130C1 (en) * 2020-12-11 2021-06-22 Общество с ограниченной ответственностью «ПОЛИТЕХФОРМ-М» (ООО «ПОЛИТЕХФОРМ-М») Search scintillation detector of gamma radiation for operation in wide temperature range

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schaart et al. LaBr3: Ce and SiPMs for time-of-flight PET: achieving 100 ps coincidence resolving time
Moszynski et al. Energy resolution of scintillation detectors readout with large area avalanche photodiodes and photomultipliers
US9091772B2 (en) Scintillation detector gain control
Ianakiev et al. Temperature behavior of NaI (Tl) scintillation detectors
Shah et al. High energy resolution scintillation spectrometers
Shah et al. LuI/sub 3: Ce-a new scintillator for gamma ray spectroscopy
Moszyński et al. Characterization of scintillators by modern photomultipliers—A new source of errors
US8158947B2 (en) Active voltage divider for detector
Nassalski et al. Multi pixel photon counters (MPPC) as an alternative to APD in PET applications
Cozzi et al. High-resolution gamma-ray spectroscopy with a SiPM-based detection module for 1” and 2” LaBr 3: Ce readout
Grodzicka et al. MPPC Array in the Readout of CsI: Tl, LSO: Ce: Ca, LaBr $ _ {3}\! $: Ce, and BGO Scintillators
Szczęśniak et al. MPPC arrays in PET detectors with LSO and BGO scintillators
Steinberger et al. Timing performance of organic scintillators coupled to silicon photomultipliers
Shendrik et al. Absolute Light Yield Measurements on SrF $ _2 $ and BaF $ _2 $ Doped With Rare Earth Ions
Follin et al. Scintillating properties of today available lead tungstate crystals
RU2646542C1 (en) Scintillational gamma spectrometer
RU2597668C1 (en) Method of suppressing avalanche noise in spectrometers with slow scintillators and silicon photoelectron multipliers
Moszynski et al. Subnanosecond timing with large area avalanche photodiodes and LSO scintillator
US8624192B2 (en) System for controlling photomultiplier gain drift and associated method
Moszynski et al. A Comparative Study of Silicon Drift Detectors With Photomultipliers, Avalanche Photodiodes and PIN Photodiodes in Gamma Spectrometry With LaBr $ _ {3} $ Crystals
Moszynski et al. Blue enhanced large area avalanche photodiodes in scintillation detection with LSO, YAP and LuAP crystals
Kravchenko et al. Measurement of the time resolution of small SiPM-based scintillation counters
Kuper et al. On reachable energy resolution of SiPM based scintillation counters for X-ray detection
Bateman et al. A new photomultiplier tube utilising channel plate electron multipliers as the gain producing elements
Moses et al. Gamma ray spectroscopy and timing using LSO and PIN photodiodes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181223