Содержание к диссертации
Введение
1. Основные принципы построения детекггирующих систем для цифровой регисграции и идентификации нейтронов и гамма- квантов 18
1.1.Основные характеристики и эволюция развития методов идентифика ции нейтронов и гамма-квантов сцинтилляционными детекторами 18
1.2. Анализ возможностей идентификации нейтронов и гамма-квантов по форме импульса сцинтилляционными детекторами с использованием аналого- цифровых преобразователей и вычислительных комплексов 24
1.2.1. Оценка параметров АЦП, предназначенного для реализации цифровой иденгификации типа частиц по форме импульса 24
1.2.2.Характеристики современных быстродействующих АЦП. 29
1.2.3. Цифровая идентификации типа частиц по форме импульса с использованием устройства сбора и регистрации сигналов на основе двух мик росхем АЦП. 33
1.3. Заключение к главе 1 40
2. Математические модель и метод цифровой идентификации частиц. 42
2.1. Математические модель цифровой идентификации частиц по форме импульса и ее физические предпосылки 42
2.1.1.Основные положения 42
2.1.2. Определение максимальных значений коэффициента блокировки фона гамма-квантов, эффективности идентификации нейтронов и коэффициентов суммирования pt при определении типа частицы 47
2.1.3. Определение импульсной характеристики сцинтшшяционно-го детектора на основе органического сцинтиллятора методом задержанного интегрирования 54
2.2. Алгоритм определения максимумов импульсов 57
2.3. Алгоритм цифровой идентификации частиц по форме импульса. Основные положения. 60
2.4. Заключение к главе 2 62
3. Разработка, экспериментальное и расчетное исследование метода цифровой идентификации сцинтилляционным детектором нейтронов и гамма-квантов по форме импульса 65
3.1. Методические аспекты 65
3.2 Интегральные измерения 66
3.2.1. Сцинтилляционные детекторы и источники ионизирующего излучения, используемые в эксперименте 66
3.2.2. Интегратор с варьируемой задержкой 67
3.2.3. Измерение параметров импульса детектора со стильбеном и жидким сцинтиллягором при помощи интегратора с варьируемой задержкой.69
3.2.4. Результаты экспериментов, подтверждающие принятую ма тематическую модель цифровой идентификации 74
3.3. Метод цифровой идентификации частиц по форме импульса при не посредственном преобразовании аналогового импульса в цифровой 76
3.3.1. Детектирующая, измерительно-вычислительная система и источники ионизирующих излучений, используемые в эксперименте 76
3.3.2. Исследование и отработка алгоритма цифровой идентификации частиц по форме импульса на основе экспериментального массива импульсов детектора 79
3.3.2.1. Определение максимумов импульсов 79
3.3.2.2. Измерение импульсных характеристик и определение коэффициентов суммирования р0&) и /?&(/») 84
3.3.2.3. Расчетные значения коэффициента блокировки гамма-квантов и эффективности идентификации нейтронов 86
3.3.2.4. Режекция наложенных импульсов 89
3.3.2.5. S-коррекция - метод, увеличивающий коэффициент блокировки фона гамма-квантов и эффективность идентификации нейтро нов 91
3.3.2.6. Последовательность выполнения алгоритма цифровой идентификации 94
3.4 Заключение к главе 3 95
4. Идентификация в условиях сверхвысоких загрузок детектора и при низких энергиях регистрируемого излучения 98
4.1. Экспериментальные исследования с детектором на основе стильбена и ФЭУ-184 98
4.2. Регистрация излучения импульсного нейтронного генератора. Идентификация в условиях высоких загрузок детектора и низких энергиях регистрируемого излучения 103
4.3. Идентификация при низких энергиях регистрируемого излучения. 107
4.4. Сравнение алгоритмов цифровой идентификации: метода оптимального фильтра и метода разделения по быстрой и медленной компонентам заряда 111
4.5. Заключение к главе 4 114
Заключение 116
- Анализ возможностей идентификации нейтронов и гамма-квантов по форме импульса сцинтилляционными детекторами с использованием аналого- цифровых преобразователей и вычислительных комплексов
- Алгоритм определения максимумов импульсов
- Определение максимумов импульсов
- Регистрация излучения импульсного нейтронного генератора. Идентификация в условиях высоких загрузок детектора и низких энергиях регистрируемого излучения
Введение к работе
Актуальность темы.
Сегодня по-прежнему достаточно актуальной проблемой в экспериментальной физике, а эта актуальность подгверждается и принятой программой развития ядерной энергетики в нашей стране, является измерение спекграль-ных, дозовых и временных характеристик смешанных гамма-нейтронных (п,у-) полей. С подобной задачей приходиться сталкиваться в процессе всего технологического цикла работ с делящимися материалами(ДМ) от обогащения и изготовления материалов и изделий из ДМ, далее при эксплуатации АЭС, и судов с ядерными реакторами, и затем при выгрузке, транспортировке, переработке и хранении облученного ядерного топлива. Такие измерения проводятся при пассивном и активном контроле ДМ, а именно при определении наличия, массы, изотопного состава ДМ. Измерения характеристик смешанных (п,у-) полей проводятся при исследованиях на нейгронных генераторах, при работах с электрофизическими и радаонуклидными источниками излучений. С такими измерениями связаны и исследования процессов при изучении термоядерных реакций.
Традиционно для идентификации п,у-частиц и измерения спекгральных и временных характеристик смешанных полей используются сцинтилляционные детекторы с дальнейшей аналоговой обработкой сигналов. Идентификация частиц по форме импульса основана на том, что для органических монокристаллов стильбена, паратерфинила и жидких сцинтилляторов форма сцинтилляционного импульса существенно зависит от удельных ионизационных потерь и различна для протонов отдачи и комптоновских электронов. Аналоговые системы позволяют проводить идентификацию нейтронов и у-квантов при нижнем энергетическом пороге от -О.ЗМэВ, при загрузке до 105имп/с, коэффициент блокировки фона гамма-квантов может достигать 103 при пороге 0.5МэВ и при загрузке до 10 имп/с. Однако во многих задачах измерения параметров смешанных (п,у-) полей требуются системы идентификации, обладающие более высокими параметрами. Так, при активном импульсном контроле, когда деление ДМ вызывается излучением внешнего источника, например импульсного нейтронного генератора, загрузка детектора является переменной, быстро меняющейся, и ее величина может достигать —10 -10 имп/с. В этом случае необходимым условием уменьшения вероятности ложного контроля является ре-жекция наложенных импульсов. В тоже время, для улучшения статистики зарегистрированных частиц, количество отбрасываемых импульсов должно быть минимально. При спектрометрии и дозиметрии, из-за наличия значительной мягкой компоненты во многих энергетических распределениях, величина нижнего энергетического порога идентификации, которую обеспечивают аналоговые системы, недостаточна. Для всех этих задач измерения важным является уменьшение вероятности ложного определения типа частицы, особенно при больших загрузках и малых энергиях регистрируемого излучения.
В настоящее время на основе достижений цифровых технологий регистрации и обработки сигналов представляется возможным разработать цифровой метод идентификации частиц по форме импульса, который обладает более высокими характеристиками, чем аналоговые методы. Основной операцией этого метода является преобразование при помощи АЦП аналогового сигнала детектора, непосредственно с анода ФЭУ, в цифровой массив данных без потери, содержащейся в нем информации. Исходя из значения постоянной быстрой компоненты высвечивания стильбена ( 5яс.), временное разрешение ФЭУ также должно быть не хуже т0.5 5нс. ФЭУ с таким высоким временным разрешением позволяет преобразовать сцинтилляционный импульс в короткий токовый импульс ФЭУ с наименьшими искажениями в передаче временной формы импульса, без интегрирования быстрой компоненты сцинтилляционного импульса и наложения ее на медленную. При этом ФЭУ будет регистрировать и разрешать во времени одноэлектронные импульсы, вызванные отдельными фотонами медленной компоненты. Из полученных цифровых значений импульса тока детектора, используя оптимальные алгоритмы, можно получить информацию о типе частицы, энергии, временных параметрах импульса.
Состояние и степень изученности проблемы. Сцинтилляционные и че-ренковские детектирующие устройства для регистрации, идентификации типа частиц и измерения спектральных и временных характеристик смешанных п,у-полей активно развиваются с пятидесятых годов прошлого века и достигли значительного совершенства. Сцинтилляционным и черенковским детекторам посвящено большое количество монографий, учебников, оригинальных работ. Например, в работах [1-6] изложены физические принципы функционирования и методы обработки сигналов детекгоров, работы [7-9] посвящены импульсным сцинтилляционным и черенковским детекторам и методам измерения импульсного ионизирующего излучения, вопросам ядерной электроники и схемам идентификации по форме импульса посвящены работы. [10-14]
В связи бурным развитием цифровых методов регистрации и обработки информации, дальнейшее совершенствование сцинтилляционных и черенков-ских измерительных устройств будет связано с использованием цифровых методов регистрации и обработки сигналов. В настоящее время разработаны быстродействующие устройства регистрации и сбора сигналов, осуществляющие преобразование аналогового импульса детектора в цифровую форму, с частотой дискретизации 500МГц-1ГГц и разрядностью 8-10бит[15-16]. При помощи таких систем можно реализовать метод цифровой идентификаций частиц по форме импульса[13]. Публикаций посвященных детектирующим устройствам с цифровой идентификаций частиц по форме импульса с длительностью импульса детектора То.5 Ю-15нс, а именно такие короткие, не интегрированные импульсы обеспечивают максимальные значения параметров систем идентификации, обнаружить не удалось.
Цель диссертационной работы.
1.Разработка метода цифровой идентификации нейтронов и у квантов по форме импульса с использованием сцинтилляционного детектора со стильбе ном, имеющего короткий токовый импульс с длительностью то,5 10нс. За счет использования оптимальных алгоритмов идентификации, режекции импульсов, селекции маловероятных событий этот метод позволит увеличить по сравнению с аналоговыми методами коэффициент блокировки фона у-квантов до десяти раз. Загрузку детектора также можно увеличить примерно в десять раз до 106имп/с, а нижний энергетический порог идентификации уменьшить в два-три раза до 100-150кэВ(по поглощенной энергии протонов отдачи).
2. Разработка оптимальных цифровых алгоритмов идентификации по форме импульса, нахождения максимумов и режекции импульсов, селекции маловероятных событий с целью увеличения коэффициента блокировки фона у-квантов и эффективности идентификации нейтронов и уменьшения количества отбрасываемых импульсов.
2. Проведение экспериментальных исследований метода цифровой идентификации нейтронов и у квантов с целью определения предельных значений коэффициента блокировки фона у квантов и эффективности идентификации нейтронов при высокой загрузке детектора на основе стильбена до 106имп./с в широком энергетическом диапазоне, при малом значении нижнего энергетического порога от 5кэВ по энергии электронов.
Основными методами решения указанных задач являются экспериментальные, с использованием изотопных и электрофизических источников, в том числе импульсных, смешанного, математическое моделирование, разработка алгоритмов и программного обеспечения.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, из 52 наименований. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 1 Ітаблиц.
Анализ возможностей идентификации нейтронов и гамма-квантов по форме импульса сцинтилляционными детекторами с использованием аналого- цифровых преобразователей и вычислительных комплексов
Под методом цифровой идентификацией типа частиц по форме импульса будем понимать процесс преобразования в цифровую форму при помощи АЦП токового импульса ФЭУ, вызванного регистрацией частицы, с последующей обработкой цифрового массива по определенному алгоритму для определения типа зарегистрированной частицы. Оценим параметры АЦП и вычислительного комплекса, предназначенные для реализации цифровой идентификации типа частиц по форме импульса. Примем за алгоритм цифровой идентификации метод оптимального фильтра. Такой выбор определяется тем, что этот метод обладает наивысшими параметрами идентификации и тем, что система команд целого ряда вычислительных комплексов оптимизирована для проведения операций умножения чисел с последующим сложением. Полагаем что, детектор для проведения цифровой идентификации выполнен на основе органического кристалла стильбена (паратерфенила), либо жидкого сцинтиллятора[24], и ФЭУ с высокими временным и амплитудным разрешением. Исходя из постоянной высвечивания быстрой компоненты сция-тилляционного импульса( 5нс), временное разрешение ФЭУ также должно быть не хуже то.5 5нс. Выбор ФЭУ с таким высоким временным разрешением позволяет преобразовать сцинтилляционный импульс в токовый импульс ФЭУ с наименьшими искажениями в передаче временной формы импульса. Эго значит, что будет отсутствовать интегрирование быстрой компоненты, наложение ее на медленную. При этом ФЭУ будет регистрировать и разрешать во времени одноэлектронные импульсы, вызванные отдельными фотонами медленной компоненты[25]. Для таких импульсов ФЭУ, а также для импульса быстрой компоненты длительность фронта будет составлять 2.5-5нс. По длительности фронга г можно оценить полосу частот сигнала/по известному соотноше- нию[26]: /= (Ь8), г - длительность фронта при максимальной крутизне, rfi «0,7г. Например, для ФЭУ Hamamatsu R6095[27], экспериментальная оценка значения параметра гддля-одноэлектронных импульсов составила тА 2ис.
Следовательно, полоса частот таких сигналов составляет не менее 250МГц. Тогда согласно теореме Котельникова частота дискретизации АЦП, предназначенного для преобразования таких импульсов в цифровую форму, должна превышать полосу частот этих сигналов не менее чем в два раза. Например, частота дискретизации цифровых осциллографов "Tektronix" серии 3000 и 4000 превышает полосу частот регистрируемых сигналов в 5-10 раз[28]. Поэтому будем полагать, что для АЦП, предназначенного для преобразования импульсов сцинтилляционного детектора в цифровую форму при проведении цифровой иденгификации, частота дискретизации должна составлять 0.5-ИТц., а полоса частот регистрируемых сигналов должна быть не менее 250МГц. Оценим разрядность АЦП для цифровой идентификации частиц но форме импульса. Основой для такой оценки будет являться динамический диапазон энергий регистрируемого излучения и соотношение между токами ФЭУ от быстрой и медленной компонент сцинтилляционного импульса. Эти токи представляет собой последовательность импульсов, вызванных регистрацией отдельных световых фотонов высвечиваемых сцинтиллятором. Поэтому, чем выше временное разрешение ФЭУ, тем большее количество таких одноэлек-тронных импульсов может разрешить во времени фотоэлектронный умножитель. Оценим соотношение между амплитудой импульса тока быстрой компо ненты и средней амплитудой импульса тока от одного фотона. Временная зави симость тока быстрой компоненты описывается формулой вида (1.1) [7.9], здесь - F(t)- импульсная характеристика высвечивания быстрой компоненты; А — коэффициент, пропорциональный поглощенной энергии излучения; G(t)-импульсная характеристика ФЭУ. Величину F(t) представляют в виде разности экспонент[7]: F(0=(exp(-f/r,)-exp(-f/T2))/(r,-r2) (ЇЛО), А — коэффициент, пропорциональный поглощенной энергии излучения, Т] и т2 — характеризуют процессы затухания и нарастания интенсивности высвечивания, для стильбена т/ 5нс; т?х 1.9нс. РІмпульсную характеристику ФЭУ аппроксимируют функцией Гаусса: (3(/)= т=ехр(—(т/af). Тогда средний заряд одного одноэлектронного импульса ФЭУ- О і будет равен: Ql = fc(t)dt (1Л1). Средний заряд импульса быстрой компоненты будет равен: QB = /л(j)dt = AJF(T)G(t)drdt (1.12). Полагая, что на 1кэВ поглощенной энергии в детекторе на основе стильбена образуется 2 фотоэлектрона[23] и с учетом того, что отношение заряда от быстрой компоненты к полному составляет -0.8, получим для поглощенной энергии Е, количество фотоэлектронов быстрой компоненты будет равняться-0.8Е/2. Тогда для #можно записать: QB =0XEQl отсюда можно найти постоянную А: А = —= —— О «14). При извест- ном значении коэффициента но формуле (1.9) можно рассчитать временную зависимость тока быстрой компоненты, а затем найти соотношение ei(E) меж ду амплитудой импульса тока быстрой компоненты МАХІв и средней амплиту дой импульса тока от одного фотона MAXG: еі(Е) = (1.15). Отношения MAXG еі(Е) для энергий 10, 15, 500, 750кэВ составили: еі(10)=8.5; еі(15)=12.7; еі(500)=420; еі(750)=630. На рисунке 1.1 показаны импульсы тока быстрой компоненты, рассчитанные по формуле(1.9), при энергиях 10, 15, 500, 750кэВ и одноэлекгронный импульс.
На этом же рисунке приведены расчетные значения отношения еі(Е) при указанных значениях энергии. Будем считать, что динамический диапазон энергий регистрируемого излучения должен составлять не менее пягидесяти, а нижний энергетический порог 15кэВ либо 10кэВ, соответственно верхний 750кэВ и 500кэВ. В данном случае под энергией понимается поглощенная энергия комптоновских электронов, нелинейность световыхода при малых энергиях не учитывается. Энергия в 10-15кэВ близка к нижней границе энергетического диапазона, в котором возможна идентификация частиц по форме импульса. Эта граница определяется статистикой фотоэлектронов образовавшихся при регистрации частицы. Так для энергии 15 кэВ среднее количество, образовавшихся фотоэлектронов медленной компоненты для у-кваятов и протонов составляет—б и 15, а среднеквадратическое отклонение соответственно 2.5( 40%) и 4(—25%). Для того, чтобы погрешность преобразования АЦП тока медленной компоненты в цифровую форму не вносила искажений при идентификации типа частиц, она должна быть существенно меньше статистических флуктуации количества образовавшихся фотоэлектронов. Исходя из среднеквадратического отклонения количества образовавшихся фотоэлекгронов —40%(—25% для протонов) погрешность преобразования АЦП тока медленной компоненты в цифровую форму должна не превышать —10-15%. В этом случае средняя амплитуда тока одноэлектронного импульса должна находиться в пределах -6-10 амплитудных отчетов АЦП, это обеспечит погрешность преобразования тока медленной компоненты в цифровую форму в —10-15%. Произведение величины средней амплитуды тока одноэлектронного импульса на отношение ei(750)=630 равняется средней амплитуде импульса тока быстрой компоненты и составляет—4000 амшгатудных отчетов АЦП. Эта величина определяет разрядность АЦП. Следовательно, общее количество амплитудных отсчетов АЦП должно быть не менее 4096, т.е. для цифровой идентификации должен использоваться двенадцати разрядный АЦП. Этот вывод сделан при условии, что динамический диапазон энергий регистрируемого излучения составляет пятьдесят, а нижний и верхний энергетический порог равняются —15кэВ и —750кэВ. Аналогичная оценка при значениях порогов-ЮкэВ и -500кэВ, показывает что, разрядность АЦП также должна составлять 12бит.
Алгоритм определения максимумов импульсов
Одной из главных задач математической обработки цифровых массивов импульсов сцинтилляционных и черенковских детекторов является поиск максимумов импульсов, соответствующих регистрации в детекгорах отдельных протонов отдачи и комптоновских электронов. Поиск и определение максимумов (экстремумов) временной зависимости тока детектора A(tJ выполнялся при определении импульсных характеристик детекгоров, выполнении алгоритма цифровой идентификации (вычислении суммы = Л(/()-/?о;(А/)(/,)), построении амплитудно-временных распределений импульсов детекторов. В этих операциях выполнялась временая привязка функции A(Q по значению времени, соответствующему ее максимуму, вызванного регистрацией протонов отдачи(комптоновских электронов). Так, например при определении типа частицы, т.е. ввычислении суммы S = A(t,)-p0l{ki)(t,) проводилась временная- привязка зависимости тока детектора А(0 и коэффициентоврм( по значению времени, соответствующему максимуму функции A (tj). Поиск и определение максимумов (экстремумов) временной зависимости тока детекгора А(ф. проводилось цифровой корреляционной фильтрацией [35,45]. В качестве фильтра применялась функция Гаусса. Анализировалась зависимость от времени корреляционной функции D(ti). Использованный алгоритм цифровой фильтрации выражается следующими формулами: здесь A(ti) - зависимость тока детектора от времени; М-величина полуинтервала суммирования равная временному разрешению детектора т05; сг=т0У2.36; г - шаг суммирования (период дискретизации АЦП); =7, JV-количество временных интервалов на котором проводится, процесс поиска максимума, при этом: tj= т, tti= NT ; 5(//) - среднее значение A{tt) в интервале (/; - М, t, + M); А(//) - среднеквадратичное отклонение мгновенного, в момент времени th значения тока детектора от его среднего значения S(ti) в интервале (t,-M, к+М). В алгоритме (2.41) важной постоянной является величина к. При поиске пиков во временной зависимости сигнала с детектора, величина к определяет порог их обнаружения над средним уровнем тока.
От величины к зависит знак функции /)(//) Только для.положительных значений корреляционной функции находились значения времени, соответствующие максимумам этой функции. Это ускоряло процедуру поиска экстремумов функции (//). Такая процедура обеспечивала совпадение во времени максимумов функций A(tj) и Dfc) с по-грепшоспъю /#/-частота дискретизации АЦП. На рисунке 2.2. продемонстрирована работа алгоритма фильтрации при к 0.4. В верхней части рисунка приведена красным цветом осциллоірамма тока быстрого сцинтилляционного детектора(СД)- ( ) при длительности развертки 500нс, полученная при реіисірации импульса нейтронного генератора с энергией 14.5МэВ. Соответствующая ей корреляционная функция ЩЬ) представлена внизу зеленым цветом. Импульсы на осциллограмме тока СД вызваны регистрацией отдельных нейтронов или у-квантов. СД имеег временное разрешение то.5=1.б±О.Знс. Для регистрации сигналов детектора использовался цифровой осциллоіраф TDS 3054 с полосой пропускания 500МГц, частотой дискретизации 5ГТц и разрядностью 9 бит. Из математической модели цифровой идентификации частиц по форме импульса следует последовательность вычислительных операций по определению типа зарегистрированной частицы, т.е. алгоритм цифровой идентификации частиц по форме импульса. Измерительно-вычислительная система цифровой идентификации строится на основе устройства сбора и регистрации сигналов состоящего из двух АЦП с частотой дискретизации ИТц и разрешением 8 бит. Преобразование аналогового импульса детектора в этом случае проводится двумя АЦП с дальнейшим объединением цифровых сигналов первого и второго каналов в один. Использование двух канальной системы регистрации импульсов детектора определило в алгоритме цифровой идентификации операцию предварительного формирования из двух цифровых сигналов первого и второго АЦП (каналов осциллоірафа) одного, который являлся цифровой реализацией импульса детектора. Следующим этапом алгоритма цифровой идентификации является поиск максимумов импульсов, соответствующих регистрации в детекторах отдельных протонов отдачи и комптоновских электронов. Определение максимумов временной зависимости тока детектора необходимо для временной привязки зависимости тока детектора A(t ) и коэффициентов ри№ по значению времени, соответствующему максимуму функции A(tt). Эта привязка выполняется при вычислении суммы S= tA(tJ-p0l{U)(tl )), т. е. при определении типа частицы. После определения экстремумов временной зависимости тока детекгора A(tj) возможен анализ наложения импульсов, т.е. появления двух или более импульсов на временном интервале, на котором вычисляется сумма S . Длительность интервала идентификации определяется временем высвечивания медленной компоненты сцинтилляционного импульса и загрузкой детектора и может составлять от 300 до 2000нс. Проведение режекции импульсов предполагает, что только первый максимум в интервале идентификации вызван регистрацией частицы, остальные являются фоновыми и могут привести к ложной идентификации.
Поэтому используется процедура коррекции функции тока детектора A(t-J. Она состоит в том, экстремумы временной зависимости тока детектора Afti), начиная со второго, путем линейной интерполяции заменяются отрезками прямых. Скорректированная функция тока детектора A(tt) используется для идентификации типа частицы. После выполнения режекции импульсов возможно вычисление суммы S и определение типа частицы. Таким образом, можно сформулировать основные положения алгоритма цифровой идентификации частиц: формирование из цифровых сигналов первого и второго каналов осциллографа одного, который является цифровой реализацией импульса детектора; 2) поиск и определение максимумов временной зависимости тока детектора; 3) определение временного интервала для проведения идентификации типа частицы, устранение наложения импульсов (режекция импульсов); 4) составление суммы S = A(t,ypol{U)(t,) и: определение ее знака: ecimS 0, за- регистрированная частица-нейтрон, если 0, зарегистрированная частица-у-квант. Определение импульсных характеристик и коэффициентов ,-, ры также можно считать составной частью алгоритма цифровой идентификации. Но процедура определения коэффициентов poii ры выполняется один раз - при ка- либровке детектирующей системы. В дальнейших измерениях и при цифровой идентификации используются ранее определенные коэффициент/?0/,/? ,-. Разработка и исследование алгоритма цифровой идентификации частиц по форме импульса на основе экспериментального массива импульсов описывается в главе 3. В второй главе- разрабатываются математические методы и алгоритмы цифровой идентификации частиц. В математической модели цифровой идентификации используется физическое предположение о том, что компоненты заряда qb создаваемые в анодной цепи ФЭУ при регистрации частицы, являются независимыми случайными величинами с дисперсией Dq, q, (q, -среднее значение). При определении типа зарегистрированной частицы анализируется значение случайной величины - суммы произведений компонент заряда, СОЗДа-ваемых в анодной цепи ФЭУ, на определенные коэффициенты=]Г ptqt.. За счет разницы в форме сцинтилляционного импульса при регистрации нейтрона и у-квантов удается подобрать такие коэффициенты рп при которых среднее значение случайной величины S при регистрации у-квантов будет меньше нуля: Sr 0, а среднее значение величины S, при регистрации нейтронов будет больше нуля:„ 0. Соответственно, если S 0, то зарегистрированная частица идентифицируегся как у-квант, если S 0, то, как нейтрон.
Определение максимумов импульсов
Двухканальная система регистрации импульсов детектора определяет в алгоритме цифровой идентификации операцию предварительного формирования из двух цифровых сигналов первого и второго каналов осциллографа одного, который является цифровой реализацией импульса детектора. Это операция состоит из трех этапов: 1 70 1)0пределение нулевой линии для первого и второго канала —Sl:2 = —] Г НОїл /і - значение временного интервала(нс), отсчитываемого от начала развертки осциллографа, t\ = 1, /,-+1 - t\ = 1x10"9 с; Т- длительность интервала суммирования, Т=70нс; Д ,)і,2- значение тока детектора в момент tt. Импульсы достигают максимума при Ґщ ООнс, фронт импульсов 25нс, поэтому значения тока детектора A(ti)i 0 при // 70нс. 2) Определение значения тока детектора A{t )ід в момент Ц за вычетом нулевой линии : A(tt)1)2=I(t\)j,2-S] 2, A+i -к 1 10 9с, / = 1 -=- 2000. 3) Объединение двух зависимостей тока детектора A{tt )/,2 от времени, соответствующих двум каналам осциллографа, в одну зависимость тока детектора от времени 4(/,) проводилось следующим образом: Число 256 = 2 — разрядность цифрового осциллографа " Tektronix 2014". На рисунке 3.8. изображены временные зависимости тока детектора на основе стильбена и ФЭУ HR6095 от времени A{tj)u А(Ь)2, зарегистрированные соответственно в первом и во втором каналах осциллографа. На осциллограмме A{ti)2 имеются импульсы, вызванные высвечиванием отдельных фотонов или групп фотонов медленной компоненты сцинтилляционного импульса. Амплитуда этих импульсов может быть меньше амплитуды быстрой компоненты сцинтилляционного импульса (импульс на осциллограмме A(tt)]) более чем на два порядка. На рисунке 3.9. показаны временные зависимости тока детектора на основе стильбена и ФЭУ-184 от времени A(t{)i и A(ti)2, зарегистрированные соответственно в первом и втором каналах осциллографа. На рисунке 3.17. показана зависимость тока детектора на основе стильбена и ФЭУ Hamamatsu R6095 от времени A(ti), полученная объединением зависимостей A(t,)i и А(ф2. На осциллограммах Д/,)і(рис.3.8) и A(t() (рис.3.10) видны три импульса, полу- ченные при регистрации отдельных у-квантов.
Приведенные на рисунках 3.8.- 3.9 осциллоіраммьі получены при регистрации у-квантов ( Cs) в энергетическом диапазоне 30-600 кэВ. Сравнивая осциллограммы, изображенные на рисунках 3.8. и 3.9 можно отметить, что ФЭУ HR6095 за счет лучшего временного разрешения, по сравнению с ФЭУ-184, разрешает большое количество одноэлектронных импульсов, высвечиванием отдельных фотонов. Высокое временное разрешение ФЭУ HR6095 позволяет осуществить более эффективную режекцию наложенных импульсов, по сравнению с ФЭУ-184. С уменьшением энергии регистрируемых частиц, в диапазоне 2-35 кэВ, ток медленной компоненты представляет собой последовательность отдельных импульсов, полученных при регистрации единичных фотонов. Соотношение между амплитудами этих импульсов и амплитудой импульса быстрой компоненты будет определять, как уже отмечалось в параграфе 1.2 главы 1, динамический диапазон измерительной системы цифровой идентификации. Если в детекторе используется Ф.Э.У. с высоким временным разрешением (то.5 3-4 не) типа HR6095, то он может разрешать отдельные импульсы, полученные при регистрации единичных фотонов быстрой компоненты. На рисунке ЗЛО. изображена осциллограмма тока детектора, полученная при регист-рации у-кванта изотопа Ва в энергетическом диапазоне 2—35 кэВ. На осциллограмме видны импульсы, вызванные регистрацией отдельных фотонов быстрой и медленной компонент. При определении импульсных характеристик и выполнении алгоритма цифровой идентификации проводился поиск и определение максимумов временной зависимости тока детектора A(tl) цифровой корреляционной фильтрацией [35,45] (параграф 2.2 главы 2). Анализировалась корреляционная функ- ция: (/,) = 4KA(f+T)-A(t,))-k&(tl )\——е ,Ят, т)1. В этом выражении для детектора на основе стильбена и ФЭУ HR6095 величина М составляла М= т05= бнсиМ = г;, 5= 10 не, соответственно для энергетических диапазонов 2—35 и 30-800 кэВ, а для детектора на основе стильбена и ФЭУ-184 М= т05= 25 не. Значение постоянной к, определяющей порог обнаружения пиков во временной зависимости тока детектора над средним уровнем тока, для детектора на основе стильбена и ФЭУ HR6095 составляло 2.5 и 1.35 в энергетических диапазонах 2-35 и 30-800 кэВ, соответственно. Для детектора на основе стильбена и ФЭУ-184 величина А: равнялась 0.75. При выполнении процедуры поиска экстремумов в энергетическом диапазоне 2—35 кэВ определяются максимумы как импульсов, соответствующих быстрой компоненте токового сигнала, так и отдельных фотонов медленной компоненты.
Определить источник появления импульса можно по значению ширины на полувысоте импульса to.s- На рисунке 3.11. показаны дифференциальные распределения случайной величины t0j, полученные при регистрации Дифференциальные распре- тока детектора на основе стильбена и деления случайной величин to.s полу- ФЭУ HR6095 от времени A(t\) и соот- ченные при регистрации детектором функция D(ti), полученные при реги- ветствующая ей корреляционная на основе стильбена и ФЭУ HR6095 страции у-кванта источника Ва у-квантов в энергетических диапазонах 2-35 и 30-600 кэВ. детектором на основе стильбена и ФЭУ HR6095 у-квантов в энергетических диапазонах 2—35 и 30—600 кэВ. Распределение в энергетическом диапазоне 30—600 кэВ имеет один максимум, который соответствует быстрой компоненте токового сигнала ФЭУ. В области 2—35 дифференциальное распределение случайной величины to.s имеет два максимума: первый, /о.5л« 3.5 не, определяется одноэлектронными импульсами от фотонов медленной компоненты и шумами Ф.Э.У., а второй, tojMr& Suc, связан с быстрой компонентой. Регистрации у-кванта (нейтрона) соответствует появление импульса быстрой компоненты. Можно предположить, что импульсы с і05 5нс образуются при регистрации только фотонов медленной компоненты, и не учитывать их при поиске экстремумов. Таким образом, для энергетического диапазона 2—35 кэВ использовался алгоритм поиска экстремумов в совокупности с анализом полуширины им- пульса, что позволило находить максимумы импульсов только от быстрой компоненгы и не учитывать максимумы импульсов, связанных с фотонами медленной компоненты. На рисунке ЗЛО кроме временной зависимости тока детектора AQi), показана и соответствующая корреляционная функция D(ti). По значению времени, соответствующему первому максимуму (tm), проводилась временная привязка функции A(ti) Величина tm полагалась равной 50 не, остальные значения времени, tt отсчитывались от момента tm с прибавлением временного интервала 50 не. Временная привязка использовалась для совмещения временных зависимостей тока A(tt) и коэффициентов /?0,{/ї),/? ,{/,-) при вычислении суммы 5(1.4). 33.2.2» Измерение импульсных характеристик и определение коэффициентов суммирования р ,№ и / #(//). При определении импульсной характеристики импульсы, у которых функция A(ti) имела более одного максимума, отбрасывались и в дальнейшем анализе не рассматривались. Также отбрасывались импульсы у которых величина г0 20нсилиг05 30нс для детектора с ФЭУ-184, и т05 8нс или r0J 16нс для детектора с ФЭУ HR6095 (30-600 кэВ).
Регистрация излучения импульсного нейтронного генератора. Идентификация в условиях высоких загрузок детектора и низких энергиях регистрируемого излучения
Детектором на основе стильбена и ФЭУ HR6095 регистрировалось излучение импульсного генератора нейтронов с энергией 2.5МэВ, работавшего в частогном режиме[47]. Длительность импульса то.5 излучения генератора со-ставляла 500 не, частота следования импульсов— 1Гц, средний выход нейтронов за импульс 1.5-106. Детектор располагался на расстоянии L8 м от генератора. Для запуска осциллоірафа, которым регистрировались импульсы детектора, использовался сигнал пускового детектора. Детектор на основе пластмассового сцинтиллятора располаї-алея на расстоянии 20 см от генератора. Импульс от пускового детектора подавался на внешний (пусковой) вход осциллографа. па Cs и нейтронов с энергией 2.5 МэВ от импульсного генератора нейтронов, были построены дифференциальные распределения случайных величин Sy и S№ которые приведены на рисунке 4.5. Распределения получены в энергетическом диапазоне 30-800 кэВ. Полуоси со значением S 0 соответствует распределение случайной величины SH, а полуоси с SkO-распределение величины Sr Экспериментальные значения коэффициента блокировки АГБЛ, эффекгив-ности идентификации нейтронов у, относительного количество импульсов в нейтронном PN и гамма PG каналах, а также эффективности идентификации Є/, для энергетического диапазона 30-800 кэВ приведены в таблице 4.2. Здесь же указаны количество зарегистрированных частиц и загрузка детектора, которая определялась как отношение суммарного количества импульсов на осциллограммах к общему времени регистрации. При проведении идентификации в процессе режекции импульсов часть из них отбрасывалась, и определенное количество информации терялось. Для количественной оценки этого процесса можно ввести понятие эффективности идентификации є , определяемой как отношение числа импульсов, идентифицированных как нейтроны или у-кванты, к общему количеству зарегистрированных импульсов [47]. Значения эффективности идентификации также приведены в табл. 4.2. Данные табл. 4.2. получены при регистрации у-квантов (137Cs), нейтронов ( Cf) и излучения импульсного нейтронного генератора.
На рисунках 4.6.-4.8. показаны амплитудные распределения импульсов соответственно в у- и п-каналах, полученные при регистрации у-квантов (I37Cs), при загрузке L5-105 импульсов/с (рис. 4.7.) и излучения импульсного генератора нейтронов с энергией 2.5 МэВ при загрузке 7.5 105 импульсов/с (рис. 4.7.)) и 1.4 10 импульсов/с (рис. 4.8.). Приведенные спектры зарегистрированы в энергетическом диапазоне 30-800 кэВ. Анализируя результаты экспериментальных исследований, приведенные в табл. 4.2, можно отметить эффективность метода цифровой идентификации нейтронов и у-квангов в смешанных импульсных полях при очень высокой и быстро меняющейся заірузке детектора. В энергетическом диапазоне 30—800 кэВ при загрузке 1.4 106 имп./с как нейтроны было идентифицировано -90% (Р 0.9) зарегистрированных импульсов, остальные 10% (Pr =0.1)- как у-кванты. При этом коэффициент блокировки у-квантов составил— 10-10" при загрузке -1.5-10 —5-10 импульсов/с, а эффективность идентификации нейтронов превысила -0.9. Для увеличения коэффициента блокировки у-квантов и эффективности идентификации нейтронов использовались переменная длительность интервала Тп идентификации и S-коррекция. Для эффективности идентификации нейтронов указана нижняя граница интервала значений этой величины. Это объясняется тем, что детектор в эксперименте с идентификацией нейтро- нов (СІ) регистрирует не только нейтроны, но и сопутствующие у-кванты. При расчете эффективности идентификации предполагается, что детекгор регистрирует только нейтроны (формула (4.1)), поэтому значение эффективности идентификации нейгронов будет больше величины нижней границы интервала. Полученные значения коэффициента блокировки у-квантов и загрузки детектора превышают значения аналогичных параметров аналоговых систем примерно в десять раз, а значение нижнего энергетического порога меньше в 2-3 раза, чем у аналоговых систем[13]. 4.3. Идентификация при низких энергиях регистрируемого излучения. Анодная чувствительность Ф.Э.У. HR6095 при регистрации и идентификация нейтронов и у-квантов в энергетическом диапазоне 2—35 кэВ, по сравнению с диапазоном 30-800 кэВ, была увеличена за счет повышения напряжения питания до 1350 В. Энергетическая калибровка детектора проводилась при регистрации гамма квантов с энергией бОкэВ источника 241 Am. На рисунке 4.9 изображено амплитудное распределение импульсов, полученное при регистрации детектором на основе стильбена и ФЭУ Hamamalsu R6095 у-квантов с энергией бОкэВ источника 241 Am. Дня такой энергии сечение фотоэффекта на углероде отлично от нуля, поэтому в амплитудном распределении импульсов имеется пик полного поглощения, которому соответствует энергия бОкэВ. На рисунках 4.10.-4.12. показаны амплитудные распределения импульсов соответственно в у- и п-каналах, полученные при регистрации у-квантов ( Ва и Am) (рис. 4.10), нейтронов ( Cf) (рис. 4.12) и излучения импульсного генератора нейтронов с энергией 2.5 МэВ при загрузке 2.4-105 импульсов/с (рис. 4.11). Приведенные спектры зарегистрированы в энергетическом диапазоне 2-35 кэВ. Для энергетического диапазона 2—35 кэВ значения величин Квя» гп, j, Рп, Рр количество зарегистрированных частиц и загрузка детектора приведены в В энергетическом диапазоне 2—35 кэВ использование дискриминации по длительности импульса г05, коэффициентов/? ., удовлетворяющих критерию К2, и S-коррекции позволило проводить идентификацию импульсов, у которых, амплитуда быстрой компоненты соизмерима с амплитудой одноэлектрон-ных импульсов ФЭУ.
Так, для энергии —10 кэВ значения коэффициента блокировки у-квантов и эффективности идентификации нейтронов составили соответственно -300 и -0.75. В энергетическом диапазоне 2—35 кэВ относительное количество импульсов Рп в нейтронном канале при регистрации излучения импульсного нейтронного генератора больше, чем эффективность идентификации нейтронов „ от радиоакіивного источника Cf. Это объясняется тем, что при регистрации излучения импульсного нейтронного генератора осциллограф запускался пусковым детекгором только при наличии импульсного нейтронного излучения. При регистрации же излучения от источника 252Cf осциллограф мог запускаться импульсами, полученными при регистрации у-квантов, и шумами ф.э.у. По- этому количество импульсов, идентифицированных как у-кванты, при регист-рации излучения радиоактивного источника Cf выше, чем при регистрации излучения импульсного нейтронного генератора. Основным критерием, который был положен в основу разработки алгоритма цифровой идентификации, являлось получение максимальных коэффициента блокировки у-квантов и эффективности идентификации нейтронов при максимальной загрузке детектора. При этом должна обеспечиваться высокая эффективность идентификации, т.е. количество отбрасываемых импульсов должно быть минимально. Требование получения максимального коэффициента блокировки у-квантов (эффективности иденгификации нейтронов) и высокой эффективности идентификации при предельных загрузках в известной мере противоречиво. Увеличение длительности интервала идентификации и снижение порога обнаружения пиков над средним уровнем тока детектора повышает коэффициент блокировки, но и увеличивает при этом количество отбрасываемых импульсов- Поэтому можно говорить лишь об оптимальном соотношении между коэффициентом блокировки у-квантов (эффективности идентификации нейтронов), загрузкой детектора и эффективностью идентификации в зависимости от условий задачи измерения[47]. Примененный алгоритм идентификации обеспечил сравнительно высокую эффективность идентификации: -40% при загрузках 7.5405 и 2.4-105 импульсов/с в энергетических диапазонах 30—600 и 2—35 кэВ.
