Способ измерения потока ионизирующего излучения однократного источника

Изобретение относится к методам измерения кинетики однократных физических процессов, сопровождаемых генерированием ионизирующих излучений, выходящий поток которых характеризует исследуемое явление. Технический результат - измерение однократного потока Ф_γ(t) с временным разрешением, более высоким по сравнению с интегральным, т.е. с Δt_k<τ₀ при малой плотности потока на входе детектора, т.е. с высокой чувствительностью. Способ заключается в измерении потока гамма-излучения однократного источника путем регистрации временного распределения отдельных гамма-квантов с последующим суммированием их в интервалах времени -Δt_к, на которые разбита длительность протекающего процесса Т=m·Δt_к, (где m - число интервалов, m≥1) и построением гистограммы потока, распределение гамма квантов регистрируют одновременно N независимыми одинаковыми детекторами (где N≥1), располагаемыми в одной плоскости с равномерной плотностью потока, в виде временных отметок выходных импульсов тока, суммируют временные отметки выходных импульсов тока со всех детекторов в каждом из интервалов Δt_k и строят гистограммы потока с временным разрешением τ_ф≤Δt_к<<τ₀, где τ₀ - разрешение одного канала, а t_ф - длительность фронта импульса. Чувствительность измерений повышается при увеличении числа используемых детекторов с сохранением временного разрешения измерений, равного - Δt_k. 2 ил.

 

Изобретение относится к методам измерения кинетики однократных физических процессов, сопровождаемых генерированием ионизирующих излучений, выходящий поток которых характеризует исследуемое явление.

Предложение заявителя может быть использовано в таких областях, как физика высоких энергий, физика термоядерной плазмы, ядерные эксперименты, где необходимы измерения с высоким временным разрешением при малых плотностях потоков гамма-квантов (нейтронов).

Обычная процедура определения потока излучения - Ф_γ(t), представляющего собой распределение во времени гамма квантов, заключается в преобразовании Ф_γ(t) детектором в такое же распределение электрических импульсов на своем выходе в виде тока:

где а_к - амплитуда к-того импульса,

t_k - временные отметки появления импульсов на выходе детектора,

g(t) - импульсная характеристика (ИХ) детектора в виде импульса тока на его выходе в результате взаимодействия с одним гамма-квантом.

Ширина ИХ на половине ее высоты - τ_0,5 является числовым параметром ИХ и используется как временное разрешение детектора, характеризующее его инерционность; обычно полная длительность ИХ принимается равной τ₀~3·τ_0,5; очевидно, что чем меньше параметр τ₀, тем выше временное разрешение детектора.

Известен интегральный (аналоговый) метод измерения Ф(t) [1], заключающийся в суммировании детектором электрических зарядов в каждом временном интервале - Δt_k=τ₀, равном временному разрешению измерения потока при взаимодействии в нем δn_к - гамма квантов, в результате чего на выходе детектора появляется временная зависимость среднего тока, равного ~q_k(t)/τ₀, где q_k(t) - суммарный электрический заряд в интервале длительностью τ₀ со статистической ошибкой √δn_к. Очевидно, что средний ток детектора есть наложенные друг на друга единичные токи - g(t) от отдельных взаимодействий, который можно представить в виде:

А - площадь детектора,

φ_N(τ) - плотность потока квантов (γ·см^-2·с^-1).

Выражение (2) получается из (1) при следующих допущениях:

- распределение гамма-квантов на временной оси является пуассоновским,

- в интервале суммирования τ₀ должно быть достаточно много регистрируемых квантов - δn_к, чтобы их доля, попадающая на края интервала τ₀, была незначительной, которыми можно пренебречь.

Если измерение Ф(t) достаточно проводить с временным разрешением Δt_k>>τ₀ (т.е. меньшим чем разрешение детектора), то выражение (2) упрощается и принимает вид:

где S=A·∫g(τ)·dτ - квантовая чувствительность детектора, А·см²/квант. Если же требуется измерять Ф(t) с временным разрешением Δt_к≤τ₀, то для его нахождения по измеренной зависимости I_дср(t) приходится решать уравнение обратной свертки (2) и точность определения Ф(t) будет зависеть как от точности измерения I_дср(t), так и точности знания g(t), что проблематично при τ₀≤~10^-9 с.

Таким образом, токовый метод позволяет проводить измерения Ф(t) с разрешением не лучше чем разрешение детектора - τ₀, однако для этого необходимо иметь на его входе достаточную плотность потока и знание с хорошей точностью формы g(t).

Ограничения интегрального способа измерений

Временное разрешение интегрального способа измерений Ф(t) не может быть менее τ₀, длительности ИХ детектора, что следует из (3). При малых значениях φ_N(t) для обеспечения необходимой статистической точности измерения I_дср(t), т.е. попадания в интервал τ₀ достаточного числа импульсов тока (~100 для 10% погрешности амплитуды), приходится увеличивать площадь детектора - А, что ведет к ухудшению его временного разрешения за счет увеличения времени формирования выходного электрического сигнала. В самом деле, длительность ИХ детектора - τ₀ определяется как временем преобразования поглощенной энергии излучения в электрический заряд - τ_физ, так и временем формирования его в выходной электрический сигнал - τ_RC; в первом приближении:

τ₀=√τ_физ ²+τ_RC ².

Таким образом, интегральный способ измерения Ф(t) позволяет проводить измерения с наивысшим временным разрешением детектора, равном τ_физ, только при его размерах, пока τ_физ<τ_RC; в свою очередь, эти размеры определяют минимальное значение плотности потока излучения на его входе для получения на его выходе I_дср(t) с заданной относительной ошибкой - Δ.

Интегральный метод измерения Ф_γ(t) обеспечивает относительно низкое его качество, под которым понимается отношение полезного сигнала к дисперсии полного шума, т.е. флуктуации суммарного тока детектора, в которую входит, помимо статистического разброса числа импульсов, также разброс ИХ отдельных импульсов, форма которых целиком входит в значение суммарного тока.

Таким образом, интегральный метод не может обеспечивать измерения Ф_γ(t) с временным разрешением лучше длительности импульсной характеристики детектора, которая обратно пропорциональна его чувствительности. Поэтому этим методом можно измерять потоки с разрешением Δt_к~τ₀≤10^-9 с лишь при очень высоких плотностях потока (>10¹⁵-10²⁰ γ/см²с).

Известен счетный метод измерения потока гамма-квантов однократного источника - прототип, заключающийся в регистрации детектором временного распределения (таймирования) взаимодействий с ним отдельных гамма-квантов с последующим суммированием их числа в каждом из одинаковых интервалов времени Δt_к и построением гистограммы потока излучения [2]. Суммирование импульсов на временной оси в интервалах Δt_к ведет к тому, что их число δn_к в каждом из них ограничивается длительностью импульсной характеристики детектора - τ₀ и допустимым числом просчетов - ξ_к; для распределения Пуассона справедливо соотношение между ними:

Отсюда, можно оценить относительное ухудшение временного разрешения измерений Ф_γ(t) одноканальным счетным методом по сравнению с интегральным при одинаковых временных разрешениях детекторов (τ₀) для получения гистограммы потока с одинаковой статистической точностью 10% (δn_к=100) при ξ_к=0,05:

(Δt_к/τ₀)≤2000 раз.

Таким образом, недостатком прототипа является низкое временное разрешение потока Ф_γ(t).

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность измерения однократного потока Ф_γ(t) с временным разрешением, более высоким по сравнению с интегральным, т.е. с Δt_k<τ₀ при малой плотности потока на входе детектора, т.е. с высокой чувствительностью.

Указанный технический результат в предлагаемом способе измерения потока гамма излучения однократного источника достигается тем, что регистрируют временное распределение отдельных гамма-квантов, разбивают длительность протекающего процесса Т=m·Δt_к на m (m≥1) интервалов времени Δt_к (временное разрешение измерения потока), суммируют гамма-кванты в интервалах времени -Δt_к и строят гистограмму потока, N независимых одинаковых детекторов (где N≥1) располагают в одной плоскости с равномерной плотностью потока, распределение гамма квантов в виде временных отметок выходных импульсов тока регистрируют одновременно N независимыми одинаковыми детекторами, суммируют временные отметки выходных импульсов тока со всех детекторов в каждом из интервалов времени Δt_к и строят гистограмму потока с временным разрешением измерения потока Δt_ф≤Δt_k<<τ₀, где τ₀ - разрешение одного канала, а τ_ф - длительность фронта импульса.

Чувствительность измерений повышается при увеличении числа используемых детекторов с сохранением временного разрешения измерений, равного - Δt_k.

Существо данного предложения заключается в суммировании числа импульсов в каждом интервале Δt_к не по оси времени, а по площади детектирования, с выхода различных детекторов в соответствующие интервалы времени.

В этом случае значение временного разрешения измерений Ф_γ(t), т.е. величина Δt_к, может быть доведена до значений, равных погрешности временной отметки взаимодействия гамма-кванта с детектором (время таймирования), которое может быть меньше τ₀ - длительности его импульсной характеристики.

Время таймирования γ -квантов - Δt_к можно осуществлять по переднему фронту импульсов тока - τ_ф≤Δt_к<<τ₀ (в прототипе Δt_к>>τ₀), что дает возможность уменьшать Δt_к вплоть до ~10^-10 c при использовании дискриминации импульсов по амплитуде.

Таким образом, предлагаемый способ дает улучшение временного разрешения по сравнению с интегральным в ~(τ₀(/τ_ф) раз, а по сравнению со счетным по одному каналу - [(τ₀/Δt_ф)·Δt_к/ξ_к)] - раз.

Одновременно предлагаемый способ измерения Ф_γ(t) дает возможность повышать чувствительность измерений за счет увеличения числа детекторов без ухудшения временного разрешения измерений потока.

Возможность реализации предлагаемого способа измерений Ф_γ(t).

Для реализации данного способа измерения необходимы многоканальный детектор (МД) с одинаковыми параметрами его составляющих и их расположением в одной плоскости измерения, в которой обеспечена одинаковая плотность потока, а также электронное устройство (ЭУ) сбора и обработки сигналов с элементов МД и построения гистограммы Ф_γ(t).

Элементы МД для измерений Ф_γ(t) должны отвечать следующим требованиям:

- высокое временное разрешение,

- наличие внутреннего механизма широкополосного умножения первичного электрического заряда для облегчения их обработки в ЭУ,

- малые размеры ее элементов для конструирования МД.

При конкретной реализации устройства, например, в качестве многоканальных детекторов можно использовать детектор SiPM+ЧР (кремниевый фотоумножитель + черенковский радиатор) - МД из сборных элементов или детектор RPC (Resistive Plate Chamber, искровая камера с диэлектрической пластиной) - МД с виртуальными элементами.

Эти два типа современных детекторов, удовлетворяют перечисленным требованиям [4, 5].

Электронное устройство сбора и обработки сигналов.

Наиболее простая схема построения ЭУ показана на фиг.1, где каждый канал измерения заканчивается многоканальным временным анализатором (МВА), с выходов которых информация в PC преобразуется в гистограмму Ф_γ(t).

Однако такая схема становится дорогой и нереальной при большом числе каналов; необходимы дополнительные устройства внутри ЭУ с большим числом входов, способные осуществлять обработку входных импульсов (от детекторов) с целью измерения и запоминания их амплитуд и времени появления, а также «уплотнения» этой информации с целью передачи ее по одному выходному каналу. Такие устройства в литературе получили название - ASIC (Application Specific Integrated Circuit), которые выполняются, обычно, в интегральном исполнении, что существенно улучшает их частотные параметры и снижает стоимость изготовления. На сегодняшний день они широко применяются для решения многих задач.

Для примера, на фиг.2 приведена упрощенная блок-схема амплитудного и временного распределений импульсов в 32 каналах ASIC [4], выводимых по одному выходу, описанная в [6], которая имеет 32 входа и один выход, между которыми осуществляются операции по измерению моментов появления импульсов (измеряется по времени достижения максимума амплитуды) по 32 каналам МД, их запоминанию в реальной последовательности для последующего считывания, оцифровки и передачи через один выходной канал.

1 - блок коммутации импульсов;

2 - массив значений амплитуд и матрица время - амплитудного конвертора;

3 - устройство уплотнения сигналов;

4 - логическое устройство организации доступа к общей шине;

5 - логическое устройство планирования процессов в ASIC.

Блоки системы ASIC активируются с момента срабатывания компаратора.

Источники информации

1. З.А.Альбиков, А.И.Веретенников, О.В.Козлов, «Детекторы импульсного ионизирующего излучения», Москва, Атомиздат, 1978 г.

2. С.С.Ветохин, И.Р.Гулаков и др. «Оптоэлектронные фотприемники». М. Энергоатомиздат, 1986 г

3. O'Connor; DeGeronimo et al. "Method and apparatus for signal processing in a sensor system for use in spectroscopy". Patent USA №7, 378, 637 2008 г.

4. M.Couceiro, A.Blanco et al. "RPC-PET: Status and perspectives." NIM Vol.580, Iss-2, 2007.

5. Ruud Vinke "Optimizing timing resolution of SiPM sensors for use in TOF-PET detectors". NDIP-20 June 2008, Overvju /University of Groningen/.

6. G. De Geronimo, P.O.Connor et al. "Advanced Readout ASIC for Multielement CZT Detectors" 2002. BNL NIM.

Способ измерения потока гамма-излучения однократного источника, заключающийся в том, что регистрируют временное распределение отдельных гамма-квантов, разбивают длительность протекающего процесса Т=m·Δt_к на m (m≥1) интервалов времени Δt_к (временное разрешение измерения потока), суммируют гамма-кванты в интервалах времени -Δt_к и строят гистограмму потока, отличающийся тем, что N независимых одинаковых детекторов (где N≥1) располагают в одной плоскости с равномерной плотностью потока, распределение гамма-квантов в виде временных отметок выходных импульсов тока регистрируют одновременно N независимыми одинаковыми детекторами, суммируют временные отметки выходных импульсов тока со всех детекторов в каждом из интервалов времени Δt_к и строят гистограмму потока с временным разрешением измерения потока τ_ф≤Δt_к<<τ₀, где τ₀ - разрешение одного канала, а τ_ф - длительность фронта импульса.