Введение к работе
Актуальность темы. Спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у- излучений находят широкое применение как сами по себе для измерения характеристик полей излучения, так и в качестве основы энергодисперсионных рентгено-флуоресцентных анализаторов (Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Analysis - EDXRFA) элементного состава веществ и материалов, денситометров (K-, L-Edge Densitometers), установок нейтронно-активационного анализа (Neutron Activation Analysis - NAA) и др. В подавляющем числе применений спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у-излучения, стоит проблема достижения максимального быстродействия. Это связано с тем, что полезные события, как правило, составляют меньшую, а часто незначительную, часть общего потока регистрируемых полупроводниковым детектором у-квантов. В то же время относительная статистическая неопределенность в выбранной области (пике) спектра - 1/уП, где n- число отсчетов в упомянутой области (пике). В силу этого всегда стремятся поднять интенсивность регистрируемого детектором излучения до величин чуть меньших, чем максимально допустимая статистическая загрузка по входу спектрометра Ri_max. При этом чрезвычайно важно при данной Ri_max добиться максимума скорости накопления информации Ro.
В полупроводниковой спектрометрии требования достижения высокой разрешающей способности и быстродействия находятся в прямом противоречии. Единственный путь достижения успеха состоит в скрупулезном изучении тонкостей функционирования отдельных элементов спектрометра и их ансамблей, в тщательном учете их в процессе разработки, в поиске отличных от общепринятых подходов к способам обработки сигналов (pulse processing) и к архитектуре электронных каналов спектрометров, их ключевых узлов и устройств, а также в создании схемотехники, позволяющей за счет применяемых принципов функционирования нивелировать недостатки электронных комплектующих.
Цель работы - исследования и разработки принципов построения прецизионных полупроводниковых рентгеновских и у-спектрометров с повышенным быстродействием, а также разработка конкретных аппаратных реализаций этих принципов с освоением в производстве соответствующих приборов и спектрометрических систем.
Научная новизна.
1. Комплексно изучены общие свойства спектрометров с время-инвариантными и время- вариантными формирователями детекторных импульсов:
определена минимально необходимая система показателей, позволяющая однозначно сравнивать предельные метрологические характеристики спектрометров с любыми способами обработки импульсов детекторов;
сформулировано правило, позволяющее без проведения экспериментов определять наличие или отсутствие в спектрометре дополнительного, зависящего от статистической загрузки, шума (Count -Rate Depended Noise — CRDN);
проведен сравнительный анализ наиболее перспективных время-инвариантных и время-вариантных алгоритмов формирования детекторных импульсов;
предложена методика измерения вклада CRD-шума спектрометра.
2. Изобретен, разработан и запатентован способ увеличения быстродействия (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS) спектрометров, позволяющий менять форму и длительность спектрометрических импульсов без изменения исходной формы функции памяти спектрометра W(t), что позволяет избежать возникновения зависящего от статистической загрузки шума:
показано, что NFAPS - способ применим к целому ряду известных в мире спектрометров с время- вариантным формированием сигналов и качественно улучшает их свойства;
предложен и запатентован технически реализуемый сверхбыстродействующий спектрометр с автоматической адаптацией времени обработки сигналов к индивидуальным интервалам между ними по NFAPS-способу.
-
Предложена единая классификация стабилизаторов базовой линии спектрометра и изучено влияние свойств разных классов стабилизаторов на фундаментальные свойства спектрометра; указаны наиболее перспективные типы стабилизаторов для использования в прецизионных спектрометрах у- и рентгеновского излучений:
теоретически и экспериментально показано, что любой из классических (нелинейных и линейных время-вариантных) стабилизаторов является источником нестационарного шума;
исследованы конкретные структуры стабилизаторов и предложены усовершенствования для получения предельных параметров, свойственных соответствующему классу;
-
Создан новый класс стабилизаторов - "цифровые" (по реакции на входное воздействие) стабилизаторы ("Digital" Base-Line Stabilizer - DBLS) принципиально способные не вносить нестационарный шум и максимально устойчивые к статистической загрузке (частное приложение NFAPS- способа):
разработана теория DBLS;
показано, что "цифровые" стабилизаторы в настоящее время превосходят по своим характеристикам истинно цифровые.
-
Предложена методика сравнительного инженерного анализа разных способов временной привязки к спектрометрическим импульсам и проанализированы 6 способов таймирования, пригодных для применения в полупроводниковых спектрометрах рентгеновского и мягкого у-излучения.
-
Дан анализ известных способов инспекции наложенных событий с точки зрения применимости в спектрометрах с низким отношением сигнала к шуму.
-
Разработана методика математического анализа точностных свойств корректоров просчетов при стационарной статистической загрузке и впервые проведен сравнительный математический анализ трех наиболее известных в мире способов коррекции просчетов:
показано, что математически строго коррекция осуществима лишь по методу "виртуального генератора" G.P. Westphal.
предложены технические меры для реализации на практике потенциальных возможностей корректоров; предложена методика быстрой настройки и проверки характеристик корректора;
предложены новые подходы к коррекции просчетов при переменной статистической загрузке для существенного снижения дисперсии числа отсчетов.
9. Проведен сравнительный анализ спектрометров с аналоговой и цифровой обработкой сигналов детекторов излучений. Показано, что при нынешнем уровне развития цифровой техники и математических алгоритмов, большее быстродействие как "по входу", так и "по выходу" достижимо в спектрометрах с аналоговой обработкой детекторных импульсов. Практическая значимость.
При самом активном участии, а с 1988 г. и под научным руководством автора в УГТУ -УПИ создан и постоянно востребован научно-производственный комплекс в виде НИЛ электроники рентгеновских приборов, способный в сжатые сроки (6 ^ 12 мес.) разрабатывать и осваивать в мелкосерийном производстве (50^100 комплектов/год) как собственно спектрометры рентгеновского и у- излучения на основе различных полупроводниковых {Si(Li), Si PIN, SDD, HpGe} и сцинтилляци- онных {[NaJ(Tl)+PhM], [LaBr3+PhM] и [CsJ(Tl)+PhD]} детекторов, так и различные аналитические приборы и системы на их основе.
Почти все разработки выполнялись и выполняются по контрактам и договорам с конкретными организациями и внедрены либо на производстве, либо в практику научных исследований. Наиболее крупные Заказчики в прошлом и настоящем: ЛНПО "Буревестник" (г. Ленинград), Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск: полтора десятка спектрометрических систем в системе CAMAC), ОАО "Чепецкий механический завод" (г. Глазов: около двух десятков портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов "МАРФ"), ЗАО "Южполиметалл-холдинг" (г. Москва: свыше 350 спектрометров для носимых XRFA "ПРИЗМА", "ПРИЗМА-М", "ПРИЗМА- РМ" для ГТК РФ).
За разработки и поставки спектрометров и EDXRF- анализаторов на предприятия Минатома и в ГТК РФ в 2003 г. автору в числе представителей других организаций-партнеров присуждена Премия Правительтва РФ в области науки и техники "За разработку, организацию производства и внедрение в практику ядерно-физических комплексов экспрессного многоэлементного анализа веществ и материалов".
Автор защищает:
-
-
Результаты проведенного комплексного изучения факторов, ограничивающих быстродействие высокоразрешающих спектрометров с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и у- излучения.
-
Разработанные аналитические методики сравнительного инженерного анализа предельных характеристик спектрометров с любым способом формированием детекторных импульсов, в частности методику выявления условий возникновения зависящего от статистической загрузки шума и оценки его величины.
-
Разработанные структурные и схемотехнические приемы увеличения быстродействия высокоразрешающих спектрометров и, в частности, наиболее перспективный способ дополнительного формирования сигналов с сохранением функции памяти исходного формирователя (Noise Free Additional Pulse Shaping - NFAPS), т.е. способ увеличения быстродействия без возникновения зависящего от статистической загрузки шума.
-
Методику и результаты сравнительного исследования признанных в мире принципов коррекции просчетов.
-
Разработанные структуры и схемные реализации прецизионных спектрометров в целом и важнейших их элементов, включая: формирователи спектрометрических импульсов и стабилизаторы базовой линии с применением NFAPS-способа увеличения быстродействия; устройства таймиро- вания импульсов при низком отношении сигнал/шум; инспекторы наложений и корректор просчетов.
Личный вклад автора.
Диссертация является результатом многолетней работы автора в хозрасчетной научно- исследовательской лаборатории электроники рентгеновских приборов (НИЛ ЭРП) при кафедре экспериментальной физики ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет" (ранее "Уральский государственный технический университет - УПИ") в качестве с.н.с., в.н.с., а с 1988 г. научного руководителя упомянутой лаборатории. Она представляет собой обобщение материалов исследований и разработок, выполненных автором лично, с сотрудниками лаборатории, а также с коллегами из ОИЯИ (г. Дубна). В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах. Автор внес определяющий вклад в выбор направлений исследований, анализ и интерпретацию теоретических и экспериментальных результатов и в разработку всех базовых моделей спектрометров, освоенных лабораторией в мелкосерийном производстве. Вопросы теории быстродействующих полупроводниковых спектрометров, вошедшие в диссертацию, изучены автором единолично, также лично выполнены все сопутствующие расчеты.
Апробация работы. Общее количество публикаций по теме диссертации более 50 и включает 12 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Основное содержание отражено в 37 работах. Значительная часть результатов исследований и разработок, изложенных в диссертации, докладывались и обсуждались на: XII Всесоюзном совещании по рентгеновской спектроскопии (Ленинград, 1978); Совещании по полупроводниковым детекторам ядерных излучений (Киев, 1978); VI Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения СИ-84 (Новосибирск, 1984); VII Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения СИ-86 (Новосибирск, 1986); The JINR XVI International Symposium on Nuclear Electronics (Bulgaria, Varna, 1994);
International Symposium on Nuclear Radiation Safety (Moscow, 1994); Техническом совещании "Циклотроны и их применение" (Екатеринбург, 1995); Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующих излучений (г. Заречный, 1997); XV Уральской конференции по спектроскопии (Заречный, 2001); Межотраслевой научно-технической конференции "Дни науки МИФИ" (Озерск, 2002); IV Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу (Иркутск, 2002); XVI Уральской конференции по спектроскопии (Заречный, 2003); XVII Уральской конференции по спектроскопии (Новоуральск, 2005).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Её объем составляет 212 страниц, включая 140 рисунков, 25 таблиц и библиографический список из 168 наименований. Приложение содержит 8 страниц, включая 5 рисунков и библиографический список из 12 наименований.
Похожие диссертации на Быстродействующие спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений
-
