Однокристальный спектрометр

 

Изобретение относится к регистрации радиоактивного излучения, в частности к ядерной спектрометрии, и предназначено для одновременного определения времени жизни и энергии нескольких метастабильных состояний в короткоживущих радиоактивных изотопах. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение производительности труда путем введения многомерного анализа. Устройство содержит детектор гамма-излучения, обладающий высоким временным разрешением, а также амплитудным разрешением (в приведенном примере - сцинтилляционный пластический), дискриминаторы верхнего и нижнего уровней, две линии задержки, схему совпадений, время-амплитудный преобразователь, линейную схему пропускания и блок обработки. Детектор регистрирует одновременно все гамма-кванты, возникающие от распада радиоактивного изотопа, спектр гамма-квантов делится дискриминаторами на две части, соответствующие импульсы поступают на схему совпадений. Для каждого акта совпадений в память блока обработки записываются энергия одного из квантов и время между их регистрацией. Дальнейшей обработкой определяются время жизни, энергия и интенсивность одновременно нескольких метастабильных состояний. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ЯО„ (5ц 4 С 01 Т 1/36 i, ?gf>0ffp q -:- ИМ|

r: . г,-

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ по изоБРЦтениЯЧ и ОтнРытийм

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4340867/24-25 (22) 10. 12.87 (46) 07.10.89. Бюл. ¹ 37 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) В.А. Морозов и В.И. Стегайлов (53) 621.387.4(088.8) (56) Морозов В.А. и Муминов Т.М.

Сцинтилляционный однокристальный временной спектрометр. -Приб; и техн. эксп., 1973> ¹ 1, с. 179.

Аликов В.А., Ваврыщук Я., Лизурей Г.И. и др. Комплекс установок для измерения времен жизни возбужденных состояний ядер в диапазоне 10 - 10 с.

Препринт ОИЯМ, Р13-109 11, Дубна, 1977. (54) ОДНОКРИСТАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится к регистрации радиоактивного излучения, в частности к ядерной спектрометрии, и .предназначено для одновременного определения времени жизни и энергии нескольких метастабильных состояний в короткоживущих радиоактивных изотопах. Цель изобретения — расширение

Изобретение относится к регистра ции радиоактивного излучения, в частности к ядерной спектрометрии, и ° предназначено для одновременного определения времени жизни и энергии нескольких метастабильных состояний в короткоживущих радиоактивных изотопах.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и увели2 функциональных возможностей и повышение производительности труда путем введения многомерного анализа. Устройство содержит детектор гамма-излучения, обладающий высоким временным разрешением, а также амплитудным разрешением (в приведенном примере— сцинтилляционный пластический), дискриминаторы верхнего и нижнего уровней, две линии задержки, схему совпадений, время-амплитудный преобразователь, линейную схему пропускания и блок обработки. Детектор регистрирует одновременно все гамма-кванты,возникающие от распада радиоактивного изотопа, спектр гамма-квантов делится дискриминаторами на две части, соответствующие импульсы поступают на схему совпадений. Для каждого акта совпадений в память блока обработки записываются энергия одного из квантов и время между их регистрацией.

Дальнейшей обработкой определяются время жизни, энергия и интенсивность одновременно нескольких метастабильных состояний. 4 ил. чеиие производительности труда путем введения многомерного анализа.

На фиг. 1 изображена блок-схема спектрометра; на фиг ° 2 — осциллограммы выходных сигналов в соответствии с блок-схемой спектрометра; на фиг. 3 схема распада радиоактивного нуклида, исследуемого на присутствие метастабильных состояний; на фиг. 4 — физические спектры гамма-излучения, полу3 1513407 чаемые на сцинтилляционном спектрометре с использованием пластического сцинтиллятора;

Схема устройства спектраметра (фиг. 1) содержит сцинтилляционный или полупроводниковый детектор, ионизационный детектор или любой другой детектор 1, верхний дифференциальный дискриминатор 2, нижний дифференци" альных дискриминатор 3>,схему 4 совпадений, стоповую линию 5 задержки, линию 6 задержки, линейную схему 7 пропускания, время-амплитудный преобразователь 8, блок 9 обработки, явля- 15 ющийся стандартным бло<ом и включающий крейт 10, содержащий стандартные амплитудно-цифровые преобразователи (кодировщики) 11 и 12, годоскоп 13, стандартный блок 14 связи с ЭВИ. 20

На фиг. 1 позициям 15 — 22, обозначенным точками, соответствуют эпюры, представленные на фиг, 2 °

На фиг. 3 позициями 23 — 27 ооозначены гамма-переходы в схеме распа — 25 да исследуемого радиоактивного нуклида э

На фиг, 4 позициями 28 — 33. обозначены физические спектры, получаемые на спектрометре, а позициям ?3 — 30

27 соответствуют гамма-переходы схемы распада (фиг. 3) .

Конструктивно элементы устройства расположены в порядке, определяемом схемой их соединения: сцинтилляционный детектор 1, расположенный в месте детектирования радиоактивного излучения, соединен кабелем с дискриминаторами 2 и 3 и линией б задержки. Остальные блоки электроники также соеди-40 нены между собой согласно схеме (фиг. 1) кабелями, Все блоки электроники находятся в стойке электронной аппаратуры.

Спектрометр работает следующим об- 45 разом.

При облучении детектора гамма, бета или любым другим видом изЛучения от радиоактивного препарата возникают импульсы, коррелированные во времени мгновенные совпадения и задержанные совпадения, обусловленные соответствующими метастабильными состояниями.

В зависимости от типа используемого детектора диапазон измеряемых времен лежит в пределах от S° - 10 с и до нескольких микросекунд. Импульсы, образуемые в пластическом сцинтилляторе (время высвечивания не более 1,5 нс) 4 сцинтилляционного детектора с фотоэлектронного умножителя 1 (время нарастания фронта а 2 нс), поступают на входы дифференциальных дискриминаторов 2 и 3 (мертвое время дифференциальных дискриминаторов 20 нс) и через линию 6 задержки на импульсный вход линейной схемы 7 пропуска- . ния, основная задача которой заключается в преобразовании коротких амплитудных импульсов со сцинтилляционного детектора (t импульса = / нс) в длинные импульсы (t =1 мкс), коточ рые поступают на вход блока обработки. Линия 6 задержки необходима для временного согласования сигнала управления, поступающего со схемы 4 совпадений, и задержанного амплитудного сигнала с выхода сцинтилляционнога детектора. Импульсы с выходов дискриминаторов 2 и 3 поступают на входы схемы 4 совпадений, а также с дискриминатора 3 нижнего порога через стоповую линию 5 задержки импульсы поступают на вход "Стоп" время-амплитудного преобразователя 8. Основное.:. назначение схемы совпадений — выделить сигналы, совпадающие в пределах разрешающего времени схемы совпаде- ний, а также уменьшить импульсную загрузку по входу "Старт" время-амплитудного преобразователя. Если импульсы совпали, то схема совпадений выдает импульс, который поступает на вход

"Старт" преобразователя время-амплитуда. Этот сигнал также поступает на управляющий вход линейной схемы 7 пропускания, которая работает в режиме внешнего управления. Короткий сигнал со сцинтилляционного детектора через линию 6 задержки поступает на сигнальный вход линейной схемы 7 прапускания и при наличии сигнала на управляющем. входе линейной схемы 7 пропускания проходит на выхоД схемы

7. Таким образом, на выходе схемы 8 имеется спектр электрических импульсов, отражающих временное распределение гамма-квантов, испускаемых иэ радиоактивного источника, а на выходе схемы 7 — спектр электрических импульсов, отражающих энергетическое распределение гамма-квантов, испускаемых радиоактивным нуклидом и связанных с метастабильными состояними в ядре. Таким образом, при излучении радиоактивного нуклида на предлагаемом спектрометре метастабильные сос15134О7 6 тояния ядра в отличие от известного характеризуются, кроме временного спектра, также энергетическим спектром, т,е. гамма-кванты, каких зкергий, связаны с разрядкой метастабильных состояний, Временной и энергетический спект ры импульсов подаются на устройство

9 обработки, амплитудно-цифровые пре- 10 образователи 11 и 12, находящиеся в крейте 10, преобразуют амплитудные распределения в цифровые коды, которые через магистраль крейта 10 с помощью блока 14 связи крейта с 3ВМ пе- 15 редаются в ЗВМ и записываются на магнитную ленту двоичным кодом в виде шестнадцати разрядных слоев. Каждый факт совпадений, т.е. каждое событие, сопровождается наличием информации 20 в двух блоках 11 и 12 устройства обработки. Чтобы разделить регистрируемые события, т.е. разделить пары слов друг от друга при записи на магнитную ленту, одновременно с записью информации с кодировщиков, также списывается постоянный код с годоскопа 13, который и служит границей, разделяющей события, записанные на магнитную ленту 3BM, Скорость считывания инфор- З0 мации через интерфейсный блок 14 равна 5 акс на одно шестнадцатиразрядное слово, т,е. на каждый блок 11 и 12.

Кодировщики 11 и 12 кодируют физическую информацию в двенадцати разрядах, в остальные четыре разряда заносится информация, позволяющая отличить временной кодировщик — блок 12 от энергетического — блок 11 в процессе сортировки и обработки информации после 40 эксперимента. Максимальное мертвое время кодировщиков составляет 40 мкс.

Так как информация из крейта передается по три слова, то время считывания равно 5 мкс х 3 = 15 мкс. Вместе 45 с мертвым временем кодировщиков это мертвое время составляет 60 мкс.

Рассмотрим импульсные диаграммы

15-22 (фиг. 2), отражающие работу спектрометра. На осциллограммах В0 (фиг. 2) показаны внутренние задержки блоков, обусловленные прохождением и преобразованием сигналов в блоках.

Задержки в дифференциальных дискриминаторах (фиг. 2, позиции 16 и 17) бб обозна=- .ены как Q t и $ t . Для однотипных дискриминаторов они равны. Задержка схемы совпадений и дискриминаторов равна h,t> (фиг. 2, позиция 18). На позиции 15 (фиг. 2) показаны два сигнала, поступившие в пределах разрешающего времени схемы совпадений с выхода сцинтилляционного детектора, На позициях 16 и 1/ показано, что на выходах верхнего 2 и нижнего 3 дифференциальных дискриминаторов возникли два логических коротких сигнала. Они поступили на входы схемы 4 совпадений и схема 4, разрешающее время которой равно с, вьдала сигнал (позиция 18) . Сигнал с выхода схемы совпадений должен соответствовать или быть несколько больше длительности анализируемого амплитудного сигнала.

Зтот импульс подается на вход чСтарт" время-амплитудного преобразователя.

la позиции 19 показано, что сигнал с нижнего дифференциального дискриминатора 3 через линию 5 задержки блока величиной Т подается на вход

"Стоп" схемы 8. На позиции 20 показан сигнал .со схемы 8, амплитуда которого линейно зависит от временногс интервала между стартовым и стоповым импульсами.

На позиции 21 показано, как работает блок 6 (фиг. 1), который является линией задержки. Величина задержки блока 6 должна быть = Qt>, где h.t — задержка схемы совпадений и дифференциальных дискриминаторов (фиг. 2, позиция 18), На позиции 22 (фиг, 2) показано, как происходит линейное пропускание задержанного амплитудного сигнала блоком 7 (фиг ° 1) . Разрешающее время схемы совпадений выбирается из физических соображений, оно должно быть не менее Зь, где ь — период полураспада метастабильного состояния, т.е. g с 3 (фиг. 2, позиция 15) .

Физическая задача, для решения которой предназначен спектрометр, заключается в следующем. Необходимо произвести поиск и идентификацию наносекундных и микросекундных изомеров (метастабильных состояний) в короткоживущих радиоактивных изотопах и определить энергию уровня, с которого идет задержанное излучение. В ходе эксперимента на предлагаемом спектрометре анализируется изменение скорости счета совпадений во времени в зависимости от энергии излучений, вьделяемых в каналах спеKòðîìå Tðà дискриминаторами. Вьделяя с помощью дискриминаторов спектрометра энергетичес1513407 кий интервал ядерного излучения в стартовом и стоповом каналах в зависимости от наличия в изучаемом радиоактивном нуклиде метастабильных сос5 тояний, получают сумму кривых задержанных совпадений (КЗС).

На схеме распада радиоактивного нуклида (фиг. 3), исследуемого на присутствие метастабильных состояний, 10 позициями 23 — 27 обозначены пять гамма-переходов в ядре. Допустим, что в схеме распада радиоактивного нуклида имеются два метастабильных состояния с периодом полураспада с, и g<, причем > С, .Спектр гамма-излучения радиоактивного Иуклида при регистрации на сцинтилляционном детекторе с пластическим сцинтиллятором схематично представлен и на фиг. 4 (позиция

28), где наблюдаются соответственно пять перегибов, соответствующих краям комптоновских распределений гамма-переходов. Данный спектр наблюдается в точке, обозначенной позицией 15, 25

Волнистой линией в гамма-спектре по1казаны нижняя часть спектра, выделяемая нижним дифференциальным дискрими" натором — блок 3, и верхняя часть спектра, выделяемая верхним дифферен- 30 циальным дискриминатором — блок 2 (фиг, 1). Далее показан спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция

29), который получается на выходе схемы 7 (фиг. 1), т.е. на выходе линейных ворот, управляемых схемой совпадений — блок 4, Так как в стоповом канале стоит нижний дифференциальный дискриминатор, то спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29) нахо- 40 дится в пределах окна, выделяемого нижним дифференциальным дискриминатором, а хвост кривой задержанных совпадений тянется влево (фиг. 4, позиция 30), 45

В зависимости от физической задачи в стоповом канале может выделяться вместо нижней верхняя часть энергетического спектра, а в стартовом канале блок 2 (фиг. 1) может выделять нижнюю часть энергетического спектра. Это зависит от того, какие гамма-лучинизкоэнергетические или высокоэнергетические, заряжают и разряжают метастабильное состояние, Этот вопрос ре55 шается до эксперимента, исходя из того, какие по энергии гамма-переходы заряжают и разряжают метастабильные состояния в ядре. В ходе опыта необходимо получить стоповые задержанные гамма-лучи, разряжающие это изомерное состояние, которые могут указать высоту метастабил.ьного состояния в схеме распада. Этими соображениями определяется выбор нижнего или верхнего дифференциального дискриминатора в стоповом канале °

В спектре задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29) наблюдают два задержанных гамма-перехода 23 и 24 (фиг. 3), идущих с первого и второго уровней с периодами полураспада и с . Далее (фиг. 4, позиция 30) показан временной спектр (или КЗС), ко" торый состоит из трех областей I-III, Так как >,, то спад у экспоненты из области II затянут более, чем у экспоненты из области I.

Области I на КЗС соответствует позиция 3 1 (фиг. 4), на которой видно четко выраженный переход 23, идущий с первого уровня в схеме распада (фиг. 3). А так как в область I дает вклад и область II то на позиции 31 просматривается и переход 24, идущий в схеме распада с второго уровня.

Аналогичным образом области II на

К3С соответствует позиция 32 (фиг, 4), на которой видно ярко выраженный переход .24, идущий с второго уровня в схеме распада (фиг. 3). Так как в область II дает вклад и область I, то

- на позиции 32 просматривается и переход 23, идуций с первого уровня. Чем дальше друг от друга отодвигают об— ласти I u II на КЗС (фиг. 4, позиция 30), тем меньший вклад дает переход 24 на позиции 31 и переход 23 на позиции 32 (фиг ° 4), Области III на КЗС соответствует спектр случайных совпадений (фиг. 4, позиция 33).

В спектре случайных совпадений соотношение интенсивностей гамма-переходов повторяет соотношение, которое имеется в одиночном гамме-спектре (фиг, 4, позиция 28), и в отличие от спектра задержанного гамма-излучения спектр гамма-излучения, соответствующего случайным совпадениям, существенно меньше по интенсивности.

Таким образом, разложен спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29), на составные части (позиции

31 — 33) в соответствии с областями

I-ХХХ КЗС, и определены интенсивности переходов I (c, } и II (), 1О энергетический сигнал, получаемый и регистрируемый на энергетическом выходе спектрометра.

При данной постановке эксперимента существенно сокращается время исследований и достигается независимость окончательных выводов об энергии гамма-переходов, разряжающих метастабильные состояния, от. изменений интенсивности пучка ускорителя (масс-сепаратора) при исследовании в режиме он-лайн (в линию) или от изменения активности радиоактивного нуклида вследствие ðàñлада при исследованиях в режиме офлайн.

Формула изобретения

Однокристальный спектр ометр, содержащий сцинтилляционный детектор, выход. которого соединен с входом нижнего дифференциального дискриминатора, причем выход нижнего дифференциального дискриминатора через стоповую линию задержки соединен с входом

"Стоп" преобразователя время-амплитуда, выход которого соединен с первым входом блока обработки и является временным выходом спектрометра, о т л и-. ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и увеличения производительности труда путем введения многомерного анализа, в спектрометр введены верхний дифференциальный дискриминатор, схема совпадений, линейная схема пропускания и линия задержки, причем выход сцинтилляционного детектора соединен с входом верхнего дифференциального дискриминатора, а выходы верхнего и ниж— него дифференциальных дискриминаторов соединены с входами схемы совпадений, выход которой соединен с входом

"Старт" преобразователя время-амплитуда и входом управления линейной схемы пропускания, сигнальный вход которой через линию задержки соединен с выходом сцинтилляционного детектора, а выход линейной схемы пропускания соединен с вторым входом блока обработки и является энергетическим выходом спектрометра.

9 1513407

Алгоритм обработки информации, записанной в ходе эксперимента, заключается в следующем. Сортируя стандартным путем информацию, записанную на магнитную ленту, получают спектр задержанных совпадений (позиция 29) и временной спектр, т.е. КЗС (позиция 30). Эти спектры получаютя в результате выборки с ленты информации, принадлежащей конкретно определенному кодировщику — блоку 11 или 12 (фиг. 1). Далее на временном спектре выделяются окна I — III. Следующая программа находит соответствие между 15 этими окнами во временном спектре и энергетическим спектром задержанных совпадений, т.е ° находит, какие переходы в энергетическом спектре соответствуют временным окнам, заданиым 2О на временном спектре. В результате такой обработки можно сказать, какая часть энергетического спектра соответствует задержанным совпадениям, т.е. областям I u II (фиг. 4, пози- 25 ции 31 и 32), и какая часть случайным совпадениям, т.е. области III (фиг. 4, позиция 33). Уровень с периодом полураспада с, разряжается переходом 23 (позиция 3 1), а уровень с 30 периодом полураспада — переходом

24 (позиция 3 2), Таким образом, в ходе одного эксперимента получают без перестройки. аппаратуры всю информацию о задержанных совпадениях в ядре и, кроме того, информацию о том, какие переходы разряжают изомерные состояния, Технические преимущества созданного однокристального спектрометра по сравнению с 4р известным однокристальным спектрометром, позволяющим измерять время жизни одного перехода и не дающим.возможности определять э нер гию . пер ехода, ;разряжающего метастабильное состоя- 45 ние в одном эксперименте, заключаются в следующем.

Одновременно с регистрацией временного распределения (КЗС) регистрируется энергетическая информация, относящаяся к разрядке метастабильного состояния ядра, так как каждому акту временных совпадений соответствует s sso

Г )Г

1513407

Составитель М, Данилов

Техред, Л. Олийнык Корректор Т. Палий

Редактор И. Шулла

Заказ 6077/46 Тираж 484 Подписное

ВНИКЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óêãîðoä, ул. Гагарина,101