Структура и функции спектрометра гамма излучения

Структурная схема спектрометра гамма излучения изображена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема спектрометра гамма излучения.

СД – спектрометрический детектор; ПУ - предварительный усилитель; ГИТ – генератор импульсов точной амплитуды и известной частоты; ЛУФ – линейный усилитель-формирователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИДД - интегрально-дифференциальный дискриминатор; СЧ - счетчик импульсов; ИП - источник питания детектора.

Сигналы, образованные собранными на электродах детектора зарядами, поступают на вход предварительного усилителя (ПУ). На выходе ПУ формируются импульсы, амплитуды которых пропорциональны заряду. Далее импульсы усиливают и формируют в линейном усилителе формирователе (ЛУФ) и подают на вход устройства, преобразующего амплитуду сигнала в цифровой код (АЦП).

ПУ предназначен для оптимального согласования выхода детектора со входом усилителя. ПУ конструируется таким образом, чтобы вносить минимальные искажения в сигнал, образованный в детекторе. Наибольшее распространение получили зарядочувствительные предварительные усилители (ЗЧПУ) (см. стр. 37).

В ЛУФ импульсы усиливаются до амплитуды в несколько вольт, что необходимо для нормальной работы АЦП, а также частично подавляются шумы, возникшие в детекторе и в ЗЧПУ (см. (2.3.3)).

АЦП преобразует амплитуды импульсов в цифровой код, удобный для их дальнейшей обработки в компьютере. Используемые в настоящее время АЦП можно разделить на 3 группы:

- Преобразователи амплитуды во время (А→t), использующие время в качестве кода. В этих преобразователях ёмкость, заряженная в начальный момент до амплитудного напряжения импульса, разряжается неизменным током. Измеренное время разряда и есть цифровой код амплитуды. Преобразователи A→t отличаются высоким мертвым временем продлевающегося типа (пропорционального амплитуде кодируемого импульса (см. стр. 21)).

- Параллельные преобразователи амплитуды в код. Упрощенно такое устройство можно представить как большое число одноканальных дифференциальных дискриминаторов с общим входом и одинаковой шириной “окна”. Уровень дискриминации каждого последующего дискриминатора больше предыдущего на ширину “окна”. Кодом амплитуды импульса будет номер дискриминатора, в “окно” которого попал импульс. Отличаются от преобразователя A→t существенно меньшим мёртвым временем не продлевающегося типа.

- Быстродействующие АЦП, способные с большой частотой преобразовывать аналоговые сигналы в коды и записывать коды в память ЭВМ (производить оцифровку импульсов). Возможна любая кодировка сигналов, например, по максимальной амплитуде или по площади импульса.

Обработка записанных в память ЭВМ кодов заключается в разбиении всего диапазона кодов (амплитуд) на некоторое (произвольное) число одинаковых интервалов (“каналов”) и определении числа импульсов, попадающих в каждый “канал” в течение времени измерений. Полученное распределение является гистограммой дифференциального амплитудного распределения импульсов, которое называют аппаратурным амплитудным спектром.

Гамма-квант может многократно взаимодействовать с детектором (многократное рассеяние, рассеяние и последующее поглощение и т.д.). Так как время образования быстрых электронов мало по сравнению с временем высвечивания сцинтиллятора или временем собирания зарядов в полупроводниковом детекторе, на выходе ЗЧПУ образуется единый импульс тока.

На рис.2.2 изображен фрагмент аппаратурного амплитудного спектра. На рисунке виден пик, образованный сигналами, возникающими при полном поглощении энергии гамма квантов в детекторе (пик полного поглощения) на пьедестале, обусловленном фоном и Комптон эффектом от гамма линий с бо́льшей энергией. Для определения числа импульсов в пике полного поглощения создают его математическую модель. Форма пика полного поглощения в сцинтилляционном детекторе близка к распределению Гаусса.

В простейшем случае математическая модель аппаратурного пика полного поглощения может быть представлена в виде суперпозиции линейной зависимости (для описания фона) и распределений Гаусса (для описания пиков полного поглощения). В соответствии с этой моделью число импульсов, зарегистрированных в К-том канале, выражается соотношением

, (2.5)

где: К_iЦ - номер канала максимума (центра) i-той линии, аппроксимированной распределением Гаусса;

С_i - амплитуда (величина максимума) i-той линии;

Δ_i ² - дисперсия i-той линии;

F и G – параметры линейной зависимости, описывающей фон.

Функция Y(K) – зависимость с пятью параметрами при обработке одной линии и с восемью параметрами при обработке двух наложенных друг на друга линий. Эта модель применена для представления амплитудного спектра в управляющей программе ACP (см стр. 59).

Рассчитанные в программе ACP параметры (2.5) использованы для определения числа импульсов, зарегистрированных в пике полного поглощения. Эта число равно площади пика S_i.

. (2.6)

Параметр Δ_i связан с ПШПВ_Ki – Полной Шириной на Половине Высоты пика полного поглощения, выраженной в “каналах “(см. рис. 2.2.)

ПШПВ_Ki = . (2.7)

ПШПВ_Ki используют для оценки энергетического разрешения спектрометра (см (2.9) и (2.10)).

H

4 1

H/2

2

3

H/2

А В

К_Ц ПШПВ_К К

Рис. 2.2. Образец аппаратурного спектра амплитуд, полученного с помощью спектрометра.

1- аппаратурный спектр пика полного поглощения; 2 - выделенный пик полного поглощения; 3 – линейный фон на интервале АВ; 4 – Комптоновский континуум; К – номер канала, К_Ц – номер канала центра выделенного пика полного поглощения (фотопика); ПШПВ_К – полная ширина выделенного пика полного поглощения (фотопика) на половине высоты (Н/2) в каналах.