ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 32-36
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 539.1.06
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-КВАНТОВ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НЕЙТРОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ
© 2014 г. К. А. Балыгин, В. И. Зайцев, А. И. Климов, К. Н. Козлов, Е. А. Мелешко, М. Д. Каретников*, С. А. Коротков*, Т. О. Хасаев*
НИЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1
E-mail: Evgueni.Meleshko@cern.ch *ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова, Москва, Россия E-mail: bogolubov@vniia.ru Поступила в редакцию18.02.2014 г.
Разработан многофункциональный спектрометр, предназначенный для измерения спектра ядерного излучения в дискретных временных интервалах. Рассмотрена схема построения спектрометра и описан принцип его работы. Поскольку основная логическая часть построена на программируемой логической интегральной схеме, возможна перестройка временных интервалов в широком диапазоне без изменения аппаратной части. Демонстрационные эксперименты показали применимость спектрометра для измерения амплитудно-временных параметров у-отклика при облучении объекта импульсным потоком нейтронов. Данное устройство может применяться для многих задач неразру-шающего контроля, например спектрометрического нейтронного каротажа, обнаружения взрывчатых веществ, идентификации и характеризации делящихся веществ.
DOI: 10.7868/S0032816214060020
ВВЕДЕНИЕ
Методы контроля, основанные на измерении энергетического и временного распределения плотности потока у-излучения, возникающего в результате нейтронных реакций, используют для многих задач неразрушающего контроля. К их числу можно отнести спектрометрический нейтронный каротаж [1], обнаружение взрывчатых веществ [2], идентификацию и характеризацию делящихся веществ путем регистрации запаздывающих у-квантов [3].
Как правило, измеряемыми величинами являются спектры у-излучения, регистрируемые во временных окнах, соответствующих характерному времени испускания, замедления и блуждания нейтронов. Например, при нейтронном каротаже за время импульса нейтронного D-T-генератора, регистрируют гамма-кванты неупругого рассеяния нейтронов на ядрах углерода С и кислорода О для определения С/О-отношения. Через определенную паузу после импульса в нескольких временных окнах регистрируют спектры у-квантов радиационного захвата замедлившихся нейтронов для анализа других образующих породу элементов (водорода ^ железа Fe, кремния Si, кальция Ca и других) [1].
Данный цикл дополняет измерение фона при выключенном нейтронном генераторе спустя
3—4 мс после последнего импульса. Интерпретационными параметрами служат макросечение захвата тепловых нейтронов, коэффициент водона-сыщенной пористости, а также отношения счета С/О и Ca/Si в окнах для определения элементов, характеризующих литологическую принадлежность и насыщенность пород. Время замедления быстрых нейтронов в веществе зависит, в первую очередь, от водородосодержания и в типичном разрезе нефтегазовой скважины составляет несколько десятков микросекунд. Время жизни тепловых нейтронов изменяется от 100 до 500 мкс.
Схожая задача решается при обнаружении взрывчатых веществ путем регистрации у-кван-тов неупругого рассеяния быстрых нейтронов и радиационного захвата замедлившихся нейтронов. Например, в проекте PELAN [2] в момент генерации нейтронного импульса (~10 мкс) регистрируют у-кванты неупругого рассеяния нейтронов для определения относительного содержания углерода и кислорода, далее в одном или нескольких временных окнах спустя несколько десятков мкс после импульса нейтронов измеряют у-кван-ты, возникающие при радиационном захвате нейтронов, и в оставшемся промежутке между импульсами регистрируют у-кванты от распада образующихся изотопов. Это позволяет определить содержание других элементов, входящих в состав
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-КВАНТОВ
33
Рис. 1. Функциональная схема спектрометра. ЦАП — цифроаналоговый преобразователь, КС — канал синхронизации, Н — нормализатор, УА — усилитель для амплитудных измерений, УВ — усилитель для временных измерений, К — компаратор, ОВ — одновибратор, ФУ — формирующий усилитель, АЦП — аналого-цифровой преобразователь, ЦИ — цифровой интегратор, ПВК — преобразователь время—код, ДША — дешифратор адреса временного окна, Q—С32 — блок формирования спектров, ДШ — дешифратор, МК — микроконтроллер, USB — драйвер USB, КГ — кварцевый генератор, М — мультиплексор.
взрывчатых веществ — водорода, азота, фтора, серы, фосфора, железа.
Для рассмотренных задач характерна высокая скорость счета у-квантов в момент импульса нейтронного излучения, что может привести к наложению импульсов и к смещению спектра. При этом, поскольку алгоритм принятия решений основан на определении отношения содержания элементов, измеренных при разных временных окнах, необходимо измерять скорость счета импульсов в каждом временном окне для последующей ее нормализации.
Быстрое развитие вычислительной техники и электронной компонентной базы за последнее время позволило качественно изменить процесс проведения эксперимента в ядерной физике. С появлением быстрых оцифровщиков формы импульсов появилась возможность на новом уровне контролировать процессы получения и обработки данных с детекторов ядерного излучения, применять комплексные математические алгоритмы для off-line- и on-line-обработки экспериментальных данных. Цифровые методы дают возможность использовать информацию о предыстории сигнала для коррекции нулевой линии импульса, разделить наложенные импульсы путем анализа их
формы вместо того, чтобы дискриминировать их, как в аналоговом методе.
В данной работе рассмотрен принцип работы многофункционального спектрометра, предназначенного для измерения спектра с гамма-детекторов в дискретных временных интервалах. Важным достоинством является возможность перестройки временных интервалов в широком диапазоне без изменения аппаратной части.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СПЕКТРОМЕТРА
Спектры импульсов в дискретных временных окнах формируются по результатам измерений амплитуды и времени прихода стартового импульса для каждого детектора. Ширина временных окон может меняться в зависимости от динамики физических процессов, приводящих к испусканию у-квантов, и в зависимости скорости счета импульсов от времени относительно стартового импульса. Для задач, связанных с измерением у-отклика объекта при его зондировании импульсным потоком нейтронов, стартовым импульсом может служить импульс начала или окончания генерации нейтронов.
34
БАЛЫГИН и др.
Функциональная схема прибора приведена на рис. 1. Процесс измерений инициализируется приходом от генератора нейтронов на канал синхронизации КС стартового импульса, который проходит через нормализатор Н для формирования импульса стандартной амплитуды и длительности (синхроимпульса). Синхроимпульс запускает преобразователь время—код ПВК, определяющий время прихода у-кванта относительно импульса нейтронного генератора. К измерительным входам подключены буферные усилители для амплитудных (УА) и временных (УВ) каналов измерений. Для уменьшения вероятности наложения сигналов при высоких скоростях счета (>105 с-1) импульсы во временных каналах укорачивают с помощью короткозамкнутых линий задержки.
Компаратор К и одновибратор ОВ формируют импульсы стандартной длительности и амплитуды, используемые в качестве стоповых при измерении времени поступления сигнала с детектора. В амплитудном канале с выхода буферного усилителя УА сигнал поступает на формирующий усилитель ФУ и далее на вход конвейерного аналого-цифрового преобразователя АЦП. С выхода АЦП коды подаются на цифровой интегратор ЦИ, который суммирует значения выборок для определения заряда импульса.
Постоянная интегрирования усилителя ФУ зависит от типа сцинтиллятора гамма-детектора. Код времени, формируемый преобразователем время-код, используется в дальнейшем в дешифраторе адреса временного окна ДША для определения номера временного интервала k в блоке формирования спектров с1-Ск. Во время измерений данные со всех запоминающих устройств с помощью дешифратора ДШ и микроконтроллера МК C8051F314 (Silicon Labs) периодически передаются в э.в.м. по интерфейсу USB.
В амплитудных каналах применены конвейерные АЦП типа AD9235 (фирма Analog Devices) с частотой оцифровки 40 МГц и разрядностью 12 бит. Требуемый объем выборок для измерения заряда импульса зависит от типа сцинтиллятора. Входные и формирующие усилители построены на операционных усилителях AD812 и AD8065 (фирмы Analog Devices). Преобразователи время-код и блок формирования спектра реализованы в программируемой логической интегральной схеме (п.л.и.с.). Блок формирования спектра состоит из арифметического устройства, производящего набор спектра, и запоминающего устройства для его хранения. В случае необходимости изменения конфигурации временных окон, алгоритмов обработки наложения импульсов, смещения базовой линии п.л.и.с. может быть оперативно перепрограммирована без изменения аппаратной части спектрометра.
Частота работы АЦП и п.л.и.с. задается кварцевым генератором КГ, сигналы с которого подаются на тактируемые схемы мультиплексором М. Пороги компараторов К устанавливают с помощью многоканального цифроаналогового преобразователя ЦАП, управляемого микроконтроллером МК.
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Для задачи обнаружения взрывчатых веществ путем регистрации амплитудно-временных параметров у-отклика от объекта при его зондировании импульсным потоком быстрых нейтронов был разработан двухканальный вариант спектрометра. Для регистрации у-квантов использовали гамма-детекторы с кристаллом BGO в форме цилиндра 076 и высотой 76 мм. Источником быстрых нейтронов служил нейтронный генератор ИНГ-17 [4], работающий при проведении экспериментов в режиме: средняя интенсивность потока 14-МэВ нейтронов — 2 • 107 с-1, длительность импульса - 80 мкс, период повторения импульсов - 400 Гц.
Экспериментальная модель спектрометра позволяла набирать спектр разрядностью 8 бит (256 каналов) в 32 временных окнах. Поскольку характерные времена проц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.