♦
.. ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................5
Глава 1. Основные принципы построении детектирующих систем дли цифровой регистрации и идентификации нейтронов и гамма-квантов..............................................................18
1.1 .Основные характеристики и эволюция развития методов идентификации 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 идентификации 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 микросхем АЦП...........................................................33
1.3. Заключение к главе 1......................................40
Глава 2. Математические модель и метод цифровой идентификации частиц.................................................................42'
2.1. Математические модель цифровой идентификации часгиц 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 /?, при определении типа частицы..............47
2.1.3. Определение импульсной характеристики сцинтилляционно-го детектора на основе органического сцинтиллятора методом задержанного интегрирования.......................................................54
2
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
Глава З.Разрабогка, экспериментальное и расчетное исследование метода цифровой идентификации сциитилляционным детектором нейтронов и гамма-квантов по форме импульса......................... .............65
3.1. Методические аспекты........................................65
3.2 Интегральные измерения.......................................66
3.2.1. Сцинтилляциоиные 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 сцинтиллятором при помощи интегратора с варьируемой задержкой.69
3.2.4. Результаты экспериментов, подтверждающие принятую математическую модель цифровой идентификации.............................74
3.3. Метод цифровой идентификации частиц по форме импульса при непосредственном 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>{Ь) 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. Б-коррекдия - метод, увеличивающий коэффициент блокировки фона гамма-квантов и эффективность идентификации нейтронов....................................................................91
3.3.2.6. Последовательность выполнения алгоритма цифровой идентификации..........................................................94
3.4. Заключение к главе 3.......................................95
Глава 4. Идентификация в условиях сверхвысоких загрузок детектора и при низких энергиях регисгрируемого излучения..........................98
4.1. Экспериментальные исследования с детектором на основе сгильбена 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 регисгрируемого 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
Список литературы.....................................................122
4
Введение»
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 спектральных, дозовых и временных харакгеристик 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 реакгорами, 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 харакгеристик смешанных (п,у-) полей проводятся при исследованиях на нейтронных генераторах, при работах с электрофизическими и радионуклидными источниками излучений. С такими измерениями связаны и исследования процессов при изучении термоядерных реакций.
Традиционно для иденгификации 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 сцинтил-ляционного импульса существенно зависит от удельных ионизационных потерь и различна для протонов отдачи и комитоновских электронов. Аналоговые системы позволяют проводить идентификацию нейтронов и у-квантов при нижнем энергетическом пороге от —О.ЗМэВ, при загрузке до ~105имл/с, коэффициент блокировки фона гамма-квантов может достигать ~103 при пороге ~0.5МэВ и при зафузке до ~103имп/с. Однако во многих задачах измерения параметров
сметанных (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 ~106-107имп/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 пороха 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 (~5нс.), временное разрешение ФЭУ также должно быть не хуже т0.5—5не. ФЭУ с таким высоким временным разрешением позволяет преобразовать сцинтнлляционный 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 одноэлекгронные 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 черепковским дегекторам посвящено большое количество монографий, учебников, оригинальных работ. Например, в работах [1-6] изложены физические принципы функционирования и методы обработки сигналов детекторов, 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.5~10-15нс, а именно такие короткие, не интегрированные импульсы обеспечивают максимальные значения параметров систем идентификации, обнаружить не удалось.
Цель диссертационной работы.
1.Разработка метода цифровой идентификации нешронов и у-квантов по форме импульса с использованием сцинтилляционного детектора со стильбе-
НОМ, имеющего короткий ТОКОВЫЙ импульс С длительностью То.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 детекгора на основе стильбена до ~106имп./с в широком энергетическом диапазоне, при малом значении нижнего энергетического порога от 5кэВ по энергии элекгронов.
Основными методами решения указанных задач являются экспериментальные, с использованием изотопных и элекгрофизических источников, в том числе импульсных, смешанного п,у-излучения, 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, 11 таблиц.
Во введении обосновывается ак1уальнос1ъ темы диссертации, формулируется цель и задачи исследований, показывается научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе „Основные принципы построения детектирующих систем для цифровой регистрации и идентификации нейтронов и гамма-квантов” проведён анализ возможностей идентификации нейтронов и у-квантов по форме импульса сцингилляционяыми детекторами с использованием аналого-цифровых преобразователей и вычислительных комплексов. Показывается, что для осуществления цифровой идентификации при длительности импульса сциятилляционного детектора с кристаллом стильбена т0.з~10нс, и при динамическом диапазоне энергий регистрируемого излучения равным пятидесяти (10-500кэВ) потребуется АЦП с частотой дискретизации ~0.5-1ГГц и разрядностью 12бит. Предлагается для осуществления цифровой идентификации типа частиц по форме импульса использовать разработанные устройства сбора и регистрации сигналов на основе двух АЦП с частотой дискретизации 1 ГГц и разрешением 8 бит. Импульс детектора подается одновременно на два канала устройства, с разной чувствительностью. Эго обеспечивает увеличение динамического диапазона амплитуд входного сигнала детектора, необходимое для регистрации и идентификации нейтронов и у-квантов в динамическом диапазоне энергий(комптоновских электронов) равным пятидесяти.
В второй главе „Математические модели и методы цифровой идентификации частиц” разрабатываются математические методы и алгоритмы цифровой идентификации частиц. В математической модели цифровой идентификации используется физическое предположение о том, что компоненты заряда создаваемые в анодной цени ФЭУ при регистрации частицы, являются независимыми случайными величинами с дисперсией Д, ~ql (д, -среднее значение). При определении типа зарегистрированной частицы анализируется значение случайной величины - суммы произведений компонент заряда, созда-
.V
ваемых в анодной цепи ФЭУ, на определенные коэффициенты- 5 = £ рд,. За
/=1
счет разницы в форме сцинтилляционного импульса при регистрации нейтрона и гамма-квантов удается подобрать такие коэффициенты р,, при ко торых сред-
9
1
%
нее значение случайной величины *5 при регистрации у-квантов будет меньше нуля: < 0, а среднее значение величины 5, при регистрации нейтронов будет
больше нуля:^ > 0. Соответственно, если £ < 0, то зарегистрированная частица идентифицируется как у-квант, если £ > 0, то, как нейтрон.
Одной из главных задач метода цифровой идентификации частиц является определение коэффициентов р1 в сумме 5, которые обеспечивают максимальные значения коэффициентов блокировки фона у-квантов (К^л) и эффективности идентификации нейтронов (е). Во второй главе описана разработка методов, позволяющих находить коэффициенты в сумме 5, которые обеспечивают максимальный коэффициент блокировки при заданной эффективности идентификации, либо максимальную эффективность идентификации при заданном коэффициенте блокировки. Эти коэффициенты, вместе с коэффициентами оптимального фильтра [21], обеспечивают высокие параметры цифровой идентификации частиц.
’ Другой, весьма важной задачей математической обработки цифровых массивов импульсов сцинтилляционных и черенковских детекторов является поиск максимумов импульсов, соответствующих регистрации в детекторах отдельных прогонов отдачи и комптоновских электронов. Поиск и определение максимумов (экстремумов) временной зависимости тока дегекгора проводилось цифровой корреляционной фильтрацией. В качеегве фильтра применялась функция Гаусса. Анализировалась зависимоегь от времени корреляционной функции.
Исходя, из математической модели были разработаны основные положения алгоритма цифровой идентификации частиц:
1) формирование из двух цифровых сигналов первого и второго АЦП одного, который является цифровой реализацией импульса детектора;
2) поиск и определение максимумов временной зависимости тока дегекгора;
10
- Киев+380960830922