RU2692113C1

RU2692113C1 - Calibration method of scintillation detector of radiation

Info

Publication number: RU2692113C1
Application number: RU2018131532A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Юрьевич Гордеев; Александр Владимирович Губачев; Александр Николаевич Подувалов
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2019-06-21

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, namely to methods of correction and stabilization of measurement parameters of scintillation detectors of ionizing radiations (SDR). Method comprises adjusting sensitivity of SDR to a certain type of radiation to a desired value through varying supply voltage of photoelectric multiplier (PEM), which enable to establish an optimum operating mode, for which the SDR is irradiated with a reference ionizing radiation source, which is placed at a certain distance from the SDR, depending on the type of radiation and the desired sensitivity value, and recording number of electric pulses per unit time at different voltage values and constant number of photons incident on photocathode of PEM, during processing of measurement results voltage is selected, in which per unit of time number of registered electric pulses corresponds to required value of sensitivity, at that, as the recording equipment, a digital oscilloscope is used, which is started to collect measurement results, reading results and their subsequent processing is carried out in automated mode using a control computer, software of which enables to establish an optimum number of recording cycles to provide the required sensitivity with deviation of not more than ±10 %.EFFECT: high accuracy of tuning SDR.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам корректировки и стабилизации измерительных параметров сцинтилляционных детекторов ионизирующих излучений.The invention relates to the field of measurement technology, and in particular to methods of correcting and stabilizing the measurement parameters of scintillation detectors of ionizing radiation.

Нестабильность измерительных параметров сцинтилляционных детекторов [органический кристаллический сцинтиллятор - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)] обусловлена влиянием таких факторов, как изменение температуры окружающей среды, технических параметров элементов электронных схем, и является одной из основных причин появления погрешности регистрации ионизирующего излучения сцинтилляционным детектором.The instability of the measurement parameters of scintillation detectors [organic crystal scintillator - photomultiplier tube (PMT)] is due to the influence of such factors as the change in ambient temperature, technical parameters of electronic circuit elements, and is one of the main causes of the detection error of ionizing radiation with a scintillation detector.

Известен способ калибровки сцинтилляционного детектора излучения [патент RU 2056639, публик. 20.03.1996], заключающийся в корректировке его эффективности до значения 99,33% через изменение напряжения питания, подаваемого на ФЭУ. Для этого осуществляют облучение калибруемого сцинтилляционного детектора эталонным источником света. Эффективность сцинтилляционного детектора - это отношение поглощенной в объеме детектора энергии к падающей на поверхность входного окна. Эффективность показывает, какая доля энергии излучения поглощается в рабочем объеме детектора. Эффективность определяют по количеству фотонов, достигших фотокатода ФЭУ. Для достижения указанной эффективности регистрации необходимо, чтобы порог формирователя не обрезал низкоамплитудную часть спектра, теряя при этом эффективность, что достигается увеличением коэффициента усиления ФЭУ при повышении напряжения. Следовательно, задача сводится к тому, чтобы, подавая на ФЭУ с помощью светодиода количество света, эквивалентное приходящему от дальнего конца сцинтиллятора, увеличивать напряжение на ФЭУ до тех пор, пока формирователь не начнет формировать 99,33% этих сигналов.A known method for calibrating a scintillation radiation detector [patent RU 2056639, publ. 03.20.1996], which consists in adjusting its effectiveness to a value of 99.33% through a change in the supply voltage supplied to the photomultiplier. To do this, carry out the irradiation of the calibrated scintillation detector with a reference light source. The effectiveness of a scintillation detector is the ratio of the energy absorbed in the detector volume to the energy incident on the surface of the input window. Efficiency shows what fraction of the radiation energy is absorbed in the working volume of the detector. Efficiency is determined by the number of photons that have reached the photocathode of the PMT. To achieve the indicated registration efficiency, it is necessary that the shaper threshold does not cut off the low-amplitude part of the spectrum, while losing efficiency, which is achieved by increasing the gain of the PMT with increasing voltage. Consequently, the task is to ensure that by applying to the photomultiplier using an LED, an amount of light equivalent to that coming from the far end of the scintillator increases the voltage on the photomultiplier until the driver starts to generate 99.33% of these signals.

Недостатком известного способа является сложность предлагаемой схемы для настройки детектора на указанную эффективность, также отсутствует наглядность регистрируемой информации, т.к. применяются пересчетки.The disadvantage of this method is the complexity of the proposed scheme for setting the detector to the specified efficiency, also there is no visibility of the recorded information, because scrolls are applied.

Известен другой способ калибровки сцинтилляционного детектора излучения, выбранный в качеств ближайшего аналога (Ляпидевский В.К. Сцинтилляцонный метод детектирования излучений. М.: изд-во МИФИ 1981, с. 76-80), основанный на определении счетной характеристики сцинтилляционного детектора с использованием радио-нуклидного источника, соответствующего государственным или международным стандартам, и выбора на этой основе напряжения питания, позволяющего установить оптимальный режим работы ФЭУ. Счетной характеристикой сцинтилляционного детектора называют зависимость скорости счета, т.е. числа зарегистрированных импульсов в единицу времени, от напряжения на ФЭУ. Способ заключается в корректировке счетной характеристики сцинтилляционного детектора через изменение напряжения питания ФЭУ. Для этого облучают калибруемый сцинтилляционный детектор эталонным ионизирующим источником излучения и регистрируют число электрических импульсов в единицу времени при разных значениях напряжения и неизменном числе фотонов, падающих на фотокатод ФЭУ. При напряжении питания, превышающем некоторое значение, наблюдается резкое увеличение скорости счета импульсов, которое вызывается увеличением обратной связи и возникновением автоэлектронной эмиссии. Счетная характеристика ФЭУ имеет более или менее выраженный подъем, обусловленный регистрацией термоэлектронов, эмитируемых с динодов. В процессе обработки результатов измерений строят зависимость шумовых импульсов от напряжения питания, по которой можно судить о качестве ФЭУ. Для ФЭУ хорошего качества счетная характеристика для шумовых импульсов имеет форму кривой с плато. Счетная характеристика ФЭУ плохого качества является монотонно возрастающей кривой и не имеет плато. Далее строят амплитудное распределение электронных импульсов для различных участков счетной характеристики ФЭУ хорошего качества. Каждому участку счетной характеристики соответствуют свои амплитудные распределения (экспоненциальное, пуассоновское, спадающее). На этой основе подбирают напряжение, при котором за единицу времени число зарегистрированных электрических импульсов соответствует требуемому значению.There is another method for calibrating a scintillation radiation detector selected as the closest analogue (Lyapidevsky V.K. Scintillation Radiation Detection Method. M .: MEPhI 1981, p. 76-80), based on determining the counting characteristic of a scintillation detector using radio - a nuclide source corresponding to state or international standards, and on this basis, the choice of supply voltage, which allows to establish the optimal operating mode of the PMT. The counting characteristic of the scintillation detector is the dependence of the counting rate, i.e. the number of registered pulses per unit of time, from the voltage across the photomultiplier. The method consists in adjusting the counting characteristic of a scintillation detector through a change in the voltage of the PMT. For this purpose, the calibrated scintillation detector is irradiated with a reference ionizing radiation source and the number of electrical pulses per unit of time is recorded at different voltages and a constant number of photons incident on the photocathode of the PMT. When the supply voltage exceeds a certain value, there is a sharp increase in the pulse counting rate, which is caused by an increase in feedback and the appearance of field emission. The counting characteristic of a photomultiplier has a more or less pronounced rise due to the registration of thermoelectrons emitted from dynodes. In the course of processing the measurement results, the noise pulses are plotted against the supply voltage, according to which the quality of the photomultiplier can be judged. For a good quality PMT, the counting characteristic for noise pulses has the shape of a plateau curve. The counting characteristic of a poor quality PMT is a monotonically increasing curve and does not have a plateau. Next, build the amplitude distribution of electronic pulses for different parts of the counting characteristics of the photomultiplier of good quality. Each segment of the counting characteristic has its own amplitude distributions (exponential, Poisson, decreasing). On this basis, select the voltage at which for a unit of time the number of registered electrical pulses corresponds to the desired value.

Недостатком данного способа является увеличение погрешности измерения счетной характеристики при крайних значениях диапазона напряжения питания ФЭУ (1 кВ и 2,5 кВ соответственно). При напряжении 1 кВ недостаточно усиления системы для того, чтобы регистрировать каждый электрон, поступивший на первый динод. При напряжении питания 2,5 кВ увеличивается вероятность наложения во времени отдельных импульсов, возникают просчеты.The disadvantage of this method is to increase the measurement error of the counting characteristic at the extreme values of the voltage range of the PMT supply (1 kV and 2.5 kV, respectively). At a voltage of 1 kV, the amplification of the system is not enough to register each electron arriving at the first dynode. When the supply voltage is 2.5 kV, the probability of imposing individual pulses in time increases, miscalculations occur.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности настройки.The technical result of the claimed invention is to improve the accuracy of the settings.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе калибровки сцинтилляционного детектора излучения, заключающемся в корректировке его параметра до требуемого значения через изменение напряжения питания фотоэлектронного умножителя, позволяющего установить оптимальный режим работы фотоэлектронного умножителя, для чего осуществляют облучение калибруемого сцинтилляционного детектора эталонным ионизирующим источником излучения и регистрируют число электрических импульсов в единицу времени при разных значениях напряжения и неизменном числе фотонов, падающих на фотокатод фотоэлектронного умножителя, в процессе обработки результатов измерений подбирают напряжение, при котором за единицу времени число зарегистрированных электрических импульсов соответствует требуемому значению корректируемого параметра, новым является то, что эталонный ионизирующий источник излучения размещают на определенном расстоянии от калибруемого сцинтилляционного детектора, зависящем от вида излучения и требуемого значения корректируемого параметра, в качестве которого выбирают чувствительность калибруемого сцинтилляционного детектора к определенному виду излучения, в качестве регистрирующей аппаратуры применяют цифровой осциллограф, запуск которого на сбор результатов измерений, считывание результатов и последующую их обработку осуществляют в автоматизированном режиме с помощью управляющего компьютера, программное обеспечение которого позволяет установить оптимальное количество циклов регистрации для обеспечения требуемой чувствительности с отклонением не более ±10%.This technical result is achieved due to the fact that in the method of calibration of a scintillation radiation detector, which consists in adjusting its parameter to the desired value through a change in the supply voltage of the photomultiplier, which allows to establish the optimal mode of operation of the photomultiplier, for which the calibrated scintillation detector is irradiated with a reference ionizing radiation source and register the number of electrical pulses per unit of time for different values x voltage and the constant number of photons incident on the photocathode of the photomultiplier tube, in the course of processing the measurement results, select the voltage at which the number of recorded electrical pulses per unit of time corresponds to the required value of the corrected parameter, the new one is that the reference ionizing radiation source is placed at a certain distance from calibrated scintillation detector, depending on the type of radiation and the desired value of the corrected parameter, as which select the sensitivity of the calibrated scintillation detector to a specific type of radiation, as the recording equipment used a digital oscilloscope, the launch of which to collect measurement results, reading the results and their subsequent processing is carried out in an automated mode using a control computer, which software allows you to set the optimal number of registration cycles to provide the required sensitivity with a deviation of no more than ± 10%.

Размещение эталонного ионизирующего источника излучения на определенном расстоянии от калибруемого сцинтилляционного детектора, зависящем от вида излучения и требуемого значения корректируемого параметра, позволяет настроить детектор на заданную чувствительность к требуемому виду излучения более точно, т.к. можно подобрать расстояние, обеспечивающее исключение насыщения электрическими импульсами осциллограммы, получаемой с детектора излучения.Placing a reference ionizing radiation source at a certain distance from the calibrated scintillation detector, depending on the type of radiation and the desired value of the parameter being corrected, allows the detector to be set to a predetermined sensitivity to the desired type of radiation more precisely, since It is possible to choose a distance to ensure the exclusion of saturation by the electric pulses of the oscillogram obtained from the radiation detector.

Чувствительность определяют как отношение изменения скорости счета к изменению потока частиц в том месте, где размещен детектор. Выбор в качестве корректируемого параметра чувствительности сцинтилляционного детектора связан с необходимостью регистрации широкого диапазона излучения разных видов (гамма-излучение, нейтронное излучение), при этом не требуется аппаратура высокого временного разрешения. Следует также отметить, что определение чувствительности в реальных условиях использования (полевые или прочие условия), оказывает существенное влияние на точность калибровки.Sensitivity is defined as the ratio of the change in the counting rate to the change in the particle flow in the place where the detector is located. The choice of the sensitivity parameter of the scintillation detector as a corrected parameter is connected with the need to register a wide range of different types of radiation (gamma radiation, neutron radiation), and no equipment with high temporal resolution is required. It should also be noted that the determination of sensitivity in actual use conditions (field or other conditions) has a significant impact on the accuracy of the calibration.

Применение в качестве регистрирующей аппаратуры цифрового осциллографа, запуск которого на сбор результатов измерений, считывание результатов и последующую их обработку осуществляют в автоматизированном режиме с помощью управляющего компьютера, позволяет повысить точность настройки, сократить трудоемкость, исключить влияние субъективных факторов на результаты обработки. При этом в состав средств обработки данных включен компьютер, который можно выполнить в виде внешнего блока управления (например, ПЭВМ). Автоматизированный режим позволяет увеличить количество циклов регистрации, установив их оптимальное количество, чтобы обеспечить заданную чувствительность с отклонением не более ±10%.The use of a digital oscilloscope as a recording equipment, which is launched on the collection of measurement results, reading the results and their subsequent processing in an automated mode using a control computer, improves the accuracy of the settings, reduces the labor intensity, eliminates the influence of subjective factors on the processing results. At the same time, a computer is included in the data processing means, which can be implemented as an external control unit (for example, a PC). Automated mode allows you to increase the number of registration cycles by setting their optimal number to ensure the specified sensitivity with a deviation of no more than ± 10%.

На фиг. схематично представлено устройство для калибровки сцинтилляционного детектора излучения, где: 1 - источник излучения; 2 - сцинтилляционный детектор (сцинтиллятор и ФЭУ); 3 - кабельная линия; 4 - цифровой осциллограф; 5 - управляющий компьютер.FIG. a schematic representation of a device for calibrating a scintillation radiation detector, where: 1 — a radiation source; 2 - scintillation detector (scintillator and PMT); 3 - cable line; 4 - digital oscilloscope; 5 - control computer.

Примером конкретного выполнения устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить устройство для калибровки сцинтилляционного детектора излучения (СДИ) на заданную чувствительность к нейтронному излучению. СДИ состоит из сцинтиллятора (полистирол с добавками n-терфинила и РОРОР) и ФЭУ, обеспечивающего электрические импульсы, находящиеся в известной связи с интенсивностью света, вырабатываемого сцинтиллятором. Устройство включает источник гамма-излучения закрытый с радионуклидом С_О ⁶⁰, который устанавливается на расстоянии 1 м, высоковольтный блок питания, кабельную линию связи, по которой детектор соединен с цифровым осциллографом Agilent DSO6014L. управляющий компьютер со специальным программно-математическим обеспечением.An example of a specific implementation of the device, allowing to carry out the inventive method, can serve as a device for calibrating a scintillation radiation detector (SDI) for a given sensitivity to neutron radiation. The SDI consists of a scintillator (polystyrene with n-terfinil and POROP additives) and a photomultiplier that provides electrical pulses that are known to be associated with the intensity of light produced by the scintillator. The apparatus includes an indoor source of gamma radiation with a radionuclide S _O ^60, which is installed at a distance of 1 m, a high voltage power supply, a cable communication line, on which the detector is connected to a digital oscilloscope Agilent DSO6014L. control computer with special software and mathematical software.

Способ калибровки сцинтилляционного детектора излучения заключается в следующем.A method for calibrating a scintillation radiation detector is as follows.

После размещения СДИ 2 на определенном расстоянии от источника излучения 1 осуществляют настройку цифрового осциллографа на требуемый диапазон регистрации (напряжение, мВ; время, мкс). Настройку осуществляют с помощью специально созданного программного математического обеспечения ПЭВМ 5. При облучении сцинтиллятора СДИ 2 источником излучения 1 регистрируют число электрических импульсов в единицу времени при подаче напряжения разной величины на ФЭУ СДИ 2. Диапазон подаваемого напряжения составил 1,3-1,8 кВ при неизменном числе фотонов (активность радионуклида С_О ⁶⁰ в источнике 4,3*10⁷ Бк). Электрические импульсы по кабельной линии 3 поступают на цифровой осциллограф 4, запуск которого на сбор информации, считывание информации и ее последующая математическая обработка осуществляется в автоматизированном режиме с помощью ПЭВМ, программно-математическое обеспечение которого позволяет это воспроизвести. Было получено 200 осциллограмм за требуемый интервал времени (сотни мкс). При указанном диапазоне напряжений было зарегистрировано от 3 до 8 электрических импульсов. Было выбрано напряжение 1,5 кВ, которое соответствует 5 импульсам за требуемый интервал времени. Такому количеству импульсов соответствует требуемая чувствительность детектора к нейтронному излучению с отклонением не более ±10%.After placing the LEDs 2 at a certain distance from the radiation source 1, the digital oscilloscope is tuned to the required recording range (voltage, mV; time, μs). The adjustment is performed using a specially created software of the PC 5. When the SDI 2 scintillator is irradiated with a radiation source 1, the number of electrical pulses per unit of time is recorded when a voltage of different magnitude is applied to the PMT of the SDI 2. The voltage range is 1.3-1.8 kV the same number of photons _(O C activity of a radionuclide source ⁶⁰ to 4.3 * ¹⁰ July Bq). Electric impulses through a cable line 3 are fed to a digital oscilloscope 4, which is started on the collection of information, reading of information and its subsequent mathematical processing is carried out in an automated mode using a PC, the software and mathematical support of which allows it to reproduce. 200 waveforms were received for the required time interval (hundreds of microseconds). At the specified voltage range, from 3 to 8 electrical impulses were recorded. A voltage of 1.5 kV was selected, which corresponds to 5 pulses over the required time interval. This number of pulses corresponds to the required sensitivity of the detector to neutron radiation with a deviation of no more than ± 10%.

Т.о. обеспечивается автоматическая настройка сцинтилляционного детектора на заданную чувствительность с минимально возможным отклонением.So An automatic adjustment of the scintillation detector to the specified sensitivity with the minimum possible deviation is provided.

Claims

Calibration method of the scintillation radiation detector, which consists in adjusting its parameters to the required value through a change in the supply voltage of the photomultiplier tube, allowing to establish the optimal operation mode of the photomultiplier tube, for which the calibrated scintillation detector is irradiated with an ionizing radiation source and the number of electrical pulses per unit of time is measured at different values voltages and a constant number of photons incident on a photoelectric photocathode In the process of processing the measurement results, a voltage is selected, at which the number of registered electrical pulses per unit of time corresponds to the required value of the corrected parameter, characterized in that the ionizing radiation source is placed at a certain distance from the calibrated scintillation detector, depending on the type of radiation and the desired value of the corrected parameter, which is chosen as the sensitivity of the calibrated scintillation detector to For a radiation type, a digital oscilloscope is used as a recording instrument, which is launched automatically to collect the measurement results, read the results and then process them in an automated mode using a control computer, the software of which allows you to set the optimal number of registration cycles to provide the required sensitivity with no deviation more than ± 10%.