Спектрометр энергии гамма-излучения для системы энергетической градуировки электростатического ускорителя

СПЕКТРОМЕТР ЭНЕРГИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГРАДУИРОВКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ

А.А. Дрозденко*, Н.А. Сайко*, мл. научн. сотр.;

М.И. Захарец*, мл. научн.сотр.; Г. С. Воробьев**, проф.,

*Институт прикладной физики НАН Украины

**СумГУ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широко используются различные методы для проведения качественного и количественного анализа состава и структуры материалов, в том числе и ядерно-физические методы анализа. Среди них методы, основанные на регистрации характеристического рентгеновского излучения, обратного нерезонансного и резонансного рассеяния, продуктов выхода из ядерных реакций и другие. При этом в качестве инструмента используются пучки заряженных частиц, ускоренные с помощью ускорителей. Для сравнения результатов, полученных в разных условиях, необходимы сведения об энергии заряженных частиц. Поэтому требуется проводить энергетическую градуировку ускорителя. Для этих целей широко используются резонансные ядерные реакции радиационного захвата на алюминии, фторе и других элементах [1]. Так, в результате радиационного захвата протонов с энергией до 2 МэВ ядрами алюминия в реакции 27Al(p,?)28Si образуется ядро кремния в возбужденном состоянии с энергией возбуждения более 12 МэВ. Возбуждение ядра кремния снимается гамма-излучением. Для измерения гамма - спектра необходим спектрометр гамма-излучения, а для определения заряда на мишени, принесенного протонным пучком, используется интегратор тока. Точность проведения энергетической градуировки зависит от характеристик спектрометра гамма - излучения и интегратора тока, поэтому в ИПФ НАН Украины было разработано и создано такое электронное устройство с улучшенными характеристиками.

1 АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ

Созданный спектрометр предназначен для применения в составе системы градуировки электростатического ускорителя (ЭСУ) и позволяет производить сбор и обработку статистически распределенной информации от детектора гамма-излучения БДЭГ_20Р2, а также измерение параметров тока пучка ЭСУ, поступающих от датчиков тока. Информация, обработанная спектрометром по параллельному интерфейсу, передается в ЭВМ типа IBM PC/AT. Данное устройство может применяться для получения информации о спектрах гамма-излучения в диапазоне энергий от 0,1 МэВ до 15,0 МэВ и токе ионного пучка в диапазоне от 10 нА до 30 мкА. Конструктивно комплект аппаратуры выполнен в виде отдельных блоков, объединенных общим субблоком. В состав комплекта входят:

- БНН - блок питания низковольтный (обеспечивает питание стабилизированным напряжением узлы и блоки, входящие в состав электронной стойки, а также предварительный усилитель блока детектирования);

- БНВ-30 - блок питания высоковольтный (обеспечивает питание блока детектирования гамма - излучения БДЭГ-20Р2 высоковольтным стабилизированным напряжением);

- БУС2-97 - блок усиления спектрометрический (обеспечивает линейное усиление и формирование импульсов напряжения, поступающих от блока детектирования гамма - излучения БДЭГ-20Р2);

- ААИ и ПТЧ - блок амплитудного анализатора импульсов и преобразователь ток-частота (обеспечивает преобразование амплитуды входных импульсов от БУС2-97, а также сигналов от датчика тока пучка в цифровой код).

Как видно из функциональной схемы системы градуировки электростатического ускорителя, приведенной на рисунке 1, наряду со стандартными блоками (БУС2-97, БНВ-30) применяются разработанные авторами блок ААИ и ПТЧ, а также блок БНН.

Рисунок 1 - Функциональная схема системы градуировки ЭСУ

Созданное устройство имеет такие технические характеристики спектрометрического тракта, как:

- входное сопротивление, кОм 1;

- входная емкость, пФ, не более 50;

- рабочий диапазон измеряемых амплитуд входных импульсов, В 0-10,0;

- полярность входного сигнала, полож., отриц.;

- длительность фронта входного сигнала, с 6 10 -6;

- длительность спада входного сигнала, с 10,0 10 -6;

- число каналов, 4096;

- интегральная нелинейность, % 0,5;

- максимальная загрузка, имп/с 10 4;

- изменение порога ДНУ, В 0,05 - 10,0;

- изменение порога ДВУ, В 0,5 - 10,0.

Электрические импульсы с амплитудой пропорциональной энергии гамма-квантов с предусилителя блока детектирования БДЭГ-20Р2 поступают на вход блока БУС2-97. С помощью этого спектрометрического усилителя производится усиление импульсов и приведение их формы близко к колоколообразной (гауссова форма) [2] положительной полярности. С выхода БУС2-97 сигналы поступают на вход блока ААИ и ПТЧ. В этом устройстве производятся дискриминация импульсов по нижнему и верхнему уровням (в соответствии с установленными порогами ДНУ и ДВУ) и преобразование амплитуды импульсов в цифровой код. Затем цифровой код, соответствующий амплитуде входного импульса, через параллельный интерфейс поступает в ЭВМ.

Для преобразования сигнала, поступающего от датчика тока, используется преобразователь ток-частота, описанный в [3], который установлен в блоке ААИ и ПТЧ. В указанном блоке также установлен преобразователь частота-код, в котором частота от преобразователя ток-частота преобразуется в цифровой код. Этот код также через параллельный интерфейс поступает в ЭВМ.

В ЭВМ вся информация обрабатывается в соответствии с установленной математической моделью.

2 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Для обеспечения функционирования спектрометра был создан соответствующий программный пакет, обеспечивающий автоматизацию сбора и обработки данных. Пакет представляет собой исполнительный файл, созданный из объектных модулей, которые реализованы на языках программирования Ассемблер и С++, динамически загружаемых библиотек и предназначен для исполнения в среде операционных систем Windows 95 и Windows 98.

В задачи этого пакета входят следующие функции:

- обеспечение интерфейсных функций блока АЦП и ПТЧ;

- работа с амплитудными спектрами;

- работа с наборами амплитудных спектров, которые используются для энергетической градуировки ускорителя.

Все функции, обеспечивающие интерфейс блока АЦП и ПТЧ, для уменьшения мертвого времени системы реализованы на языке Ассемблер. Обмен с аппаратной частью спектрометра производится через порт принтера (LPT) и состоит из произвольного количества циклов обмена. Каждый цикл программного обмена с аппаратурой длится 1с. Начинается он с подготовки к работе и запуска амплитудного анализатора, интегратора тока и таймера, которые физически размещены в блоке АЦП и ПТЧ. Длительность времени набора информации определяется таймером. Причем информация о заряде, пришедшем с ионным пучком, считывается раз за 1с, а амплитудный спектр набирается в режиме реального времени в течение цикла обмена. На время обмена компьютер программно переходит в режим, в котором запрещаются внутренние прерывания процессора.

При работе с амплитудными спектрами программный пакет позволяет:

- производить набор амплитудных спектров, исходя из задаваемого времени набора или заряда, прошедшего через мишень;

- записывать спектры на жесткий диск в текстовый файл, пригодный для дальнейшей обработки стандартными математическими пакетами;

- проводить энергетическую градуировку шкалы АЦП по произвольному количеству градуировочных пиков;

- производить математическое сглаживание спектров;

- осуществлять графическую навигацию по спектру;

- осуществлять одновременную обработку произвольного числа спектров;

- осуществлять вычисление интегральной суммы по установленным оператором границам;

- сохранять в файле спектр, информацию о дате и текущем времени набора спектра, длительности набора спектра, количестве заряда, прошедшего через мишень, параметры градуировки энергетической шкалы АЦП и дополнительную текстовую информацию;

- осуществлять линейное или логарифмическое представление вертикальной оси. Спектры представляются графически на экране дисплея, где на вертикальной оси откладывается количество отсчетов в данном канале, а на горизонтальной - номер канала и соответствующая ему энергия. В главном окне программы может размещаться произвольное количество спектров в соответствии с многодокументальным стандартным интерфейсом (MDI).

Работа с градуировочными проектами позволяет производить набор серии спектров, которые сохраняются в отдельных файлах в папке проекта на жестком диске.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Для измерения метрологических характеристик спектрометрического тракта устройства были экспериментально определены его энергетическое разрешение и нелинейность шкалы преобразования.

Энергетическое разрешение спектрометрического тракта определялось по г линии с энергией 0,662 МэВ (137Cs) как отношение ширины фотопика на половине его высоты к значению энергии в его максимуме согласно формуле

,

где Дn - ширина фотопика на половине его высоты в каналах;

nmax - значение номера канала в точке максимума фотопика.

Положения максимума пика определялось как среднее арифметическое номеров каналов, которые отвечают значению 0.8 от максимального значения в пике. Для г_линии с энергией 0.662 МэВ получено разрешение 10.5% .

Характеристика преобразования спектрометрического тракта измерялась по источнику ионизирующего излучения 226Ra. Справочные значения энергий г_линий и экспериментально полученные приведены в таблице 1 и отображены на рисунке 3. Как видно, справочные значения энергий и полученные экспериментально находятся в хорошем соответствии. Для расчета интегральной нелинейности (ИНЛ) характеристика преобразования аппроксимировалась прямой линией, параметры которой определялись методом наименьших квадратов. Для каждого центра пика соответствующей энергии Е рассчитывались отклонения от прямой. Интегральная нелинейность рассчитывалась по формуле

,

где Еmax - верхнее значение энергии измеряемого диапазона, кэВ;

?Еimax - максимальное отклонение от прямой линии, которая аппроксимирует характеристику преобразования, кэВ.

Определенное таким образом значение интегральной нелинейности характеристики преобразования тракта составляет 0.47%, что удовлетворяет требованиям ГОСТа 26874-86. Результаты измерений метрологических характеристик спектрометрического тракта свидетельствуют о его пригодности как к градуировке энергетической шкалы электростатического ускорителя, так и для использования в составе канала элементного анализа материалов, основанного на методе регистрации продуктов ядерных реакций.

Рисунок 2 - Аппаратная линия полного поглощения на энергии 0,662 МэВ

Таблица 1

Описанное электронное устройство было успешно использовано при проведении измерений спектра гамма-квантов из реакции радиационного захвата протонов ядрами алюминия. На рисунке 4 изображен такой спектр для протонов с энергией 1 МэВ.

В аппаратурном спектре вместе с линиями гамма-квантов из ядерной реакции 27Al(p,?)28Si присутствуют фоновые линии калия и тория, по которым может осуществляться энергетическая градуировка шкалы гамма-спектрометра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги проведенных измерений, хочется отметить надежность и стабильность работы созданного электронного устройства.

Рисунок 3 - Характеристика преобразования спектрометрического тракта

Рисунок 4 - Аппаратурный спектр гамма-квантов из реакции 27Al(p,)28Si

Это позволило провести с необходимой точностью градуировку энергетической шкалы электростатического ускорителя в ИПФ НАН Украины, что необходимо для проведения дальнейших измерений. Совершенствование программного обеспечения позволит расширить его возможности по обработке измеряемых спектров, что облегчит интерпретацию получаемых результатов.

SUMMARY

Designed and manufactured the electronic rack of the system of graduation of an energy scale of the electrostatic accelerator. The software is created. Is conducted the excrement on measuring of gamma-quantums from nuclear reaction 27Al(p,?)28Si.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электростатические ускорители заряженных частиц. А.К.Вальтер, Ф.Г Железников, И.Ф.Малышев, Г.Я.Рошаль, А.Н.Сербинов, А.А.Цыгикало, С.П. Цытко. - Москва, 1963.

2. Шмидт Х. Измерительная электроника в ядерной физике // Пер. с нем., М.: Мир, 1989.

3. Нагорный А.Г. Интегратор тока для системы калибровки энергетической шкалы электростатического ускорителя // Приборы и техника эксперимента, 2002, №1, C.67_69.