Приборы и техника эксперимента, 2022, № 5, стр. 114-120

1. ВВЕДЕНИЕ

Для определения энергетического спектра частиц, испускаемых источником, с помощью детектора и соответствующей электроники измеряется амплитудное распределение импульсов, создаваемых этими частицами [1].

Детектор NaI(Tl) состоит из монокристалла активированного таллием йодида натрия, оптически связанного с фотокатодом фотоумножителя. Когда γ-излучение попадает в детектор, оно взаимодействует с йодидом натрия, вызывая ионизацию. Это создает в кристалле возбужденные состояния, которые распадаются, испуская фотоны видимого света. Это излучение называется сцинтилляцией. На фотокатоде сцинтилляционные фотоны высвобождают электроны за счет фотоэффекта. В вакуумированной стеклянной трубке фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) расположен ряд динодов на которых происходит размножение электронов [2]. Заряд в выходном импульсе ФЭУ интегрируется на входной емкости предварительного усилителя для получения импульса напряжения [3]. Усилитель усиливает сигнал с предусилителя и формирует его для дальнейшей обработки [4].

Многоканальный анализатор (MCA) записывает и сохраняет импульсы в соответствии с их амплитудой. Каждая единица хранения называется каналом. Каждый импульс сохраняется в определенном канале, соответствующем определенной энергии. Распределение импульсов в каналах является отображением распределения энергий частиц. В таком распределении по горизонтальной оси отложен номер канала или энергия частицы, а по вертикальной – количество частиц, зарегистрированных в канале [1]. Реальное время означает полное время измерения, определенное по часам. Живое время определяется временем, в течение которого анализатор готов регистрировать импульсы (т.е. его вход не заблокирован), и равно реальному времени за вычетом мертвого времени [5]. Системы MCA часто представляют мертвое время в процентах [100⋅(реальное время – живое время)/реальное время] [6].

Осциллографы имеют мертвое время. Это время между сборами данных осциллографа, когда осциллограф обрабатывает ранее полученный сигнал для отображения на дисплее осциллографа (рис. 1) [7]. Виртуальные приборы осуществляют фундаментальный переход от традиционных аппаратно-ориентированных измерительных систем к программно-ориентированным системам, использующим вычислительные мощности, производительность, возможности отображения информации и связи настольных компьютеров и рабочих станций. Виртуальная измерительная система — это программное обеспечение, которое используется пользователем для разработки компьютеризированной системы испытаний и измерений, для управления внешним измерительным аппаратным устройством с настольного компьютера и для отображения данных испытаний или измерений на экране компьютера [8]. С помощью виртуального инструмента, используя производительное и мощное программное обеспечение, инженеры и ученые могут настраивать функции сбора, анализа, хранения, совместного использования и представления информации [9].

Рис. 1.

Мертвое время осциллографа [7].

Поскольку LabVIEW предоставляет собой простую в использовании среду создания приложений, разработанную специально с учетом потребностей инженеров и ученых, она является неотъемлемой частью виртуальных инструментов [10]. LabVIEW — это графический язык программирования, который использует значки вместо строк текста для создания приложений [11]. Его графическая природа делает его идеальным для приложений тестирования и измерения, автоматизации, сбора и анализа данных [12].

Для детекторов, предназначенных для измерения энергии падающего излучения, наиболее важным фактором является энергетическое разрешение. Этот параметр определяет, как детектор может различать две близко лежащие энергии. Разрешение определяется полной шириной на половине высоты максимума пика (FWHM). Разрешение по энергии E дается следующим выражением [4]:

Приведем краткий обзор литературы по проблеме. Jana, Singh, Gupta et al. [13] разработали недорогой многоканальный анализатор, основанный на цифровой обработке сигналов. В качестве дигитайзера использовалась встроенная звуковая карта персонального компьютера [13]. Система радиационного мониторинга окружающей среды была разработана Hung et al [14]. В этой системе использовался цифровой многоканальный анализатор. Группой Gol, Khakzad, Jamili et al. [15] для измерения характеристик импульса сцинтилляционного детектора использовалась цифровая система сбора данных. Kasani et al. [16] использовали звуковую карту персонального компьютера в качестве дигитайзера в цифровой γ-спектроскопии со сцинтилляционным детектором NaI(Tl). Tektas и Celiktas [17] разработали виртуальный MCA. Для подачи сигналов в их исследовании использовался генератор импульсов. Энергетические γ-спектры получены аналоговым и цифровым методами. Исследовано влияние на энергетическое разрешение емкости предусилителя и расстояния от источника до детектора. Счет в фотопиках также изучался в работе Ermis et al. [18].

В статье [18] виртуальный MCA был создан путем разработки кода. Виртуальный МСА был использован в спектрометре, состоящем из сцинтилляционного детектора NaI(Tl), чтобы выяснить, совместимы ли результаты виртуального и реального МСА. Спектры отображались и сравнивались в обоих MCA для различных расстояний от источника до детектора, определялись также общее количество импульсов, число импульсов в фотопиках, живое время, доля мертвого времени и значения энергетического разрешения.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Виртуальный MCA для использования в спектрометре был разработан с помощью программного обеспечения LabVIEW. Как и в реальном МСА, вертикальная и горизонтальная оси экрана в виртуальном МСА представляют собой отсчеты и номера каналов соответственно. Также возможно отображение спектров в логарифмическом виде на другом экране. Разработанный виртуальный MCA позволяет также определять общее количество импульсов в спектре, живое время и долю мертвого времени. Последний параметр рассчитывается с использованием уравнения из работы [7]. После этого время жизни рассчитывается с использованием уравнения, приведенного в [6], а также упомянутого во введении. Эти расчеты выполняются разработанным кодом. В дополнение к общему количеству отсчетов можно получить количество отсчетов в выбранной части спектра (области интереса), например число отсчетов в фотопике или в части спектра. Программа также может рассчитать энергетическое разрешение для фотопика в соответствии с уравнением (1). Кроме того, можно сравнивать разные спектры друг с другом. На экране отображается спектр, а индикаторы, показывающие общее количество импульсов (Gross Area), время жизни (Live Time) и долю мертвого времени (Dead Time), расположены справа на передней панели виртуального МСА (рис. 2).

Рис. 2.

Передняя панель виртуального МСА.

После накопления сигналов виртуальным МСА значения амплитуд сигналов определялись функцией “Peak Detector.vi”. Эти значения были обработаны функцией “Общая гистограмма.vi” и получен спектр. Часть блок-схемы разработанного виртуального МСА представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Часть кода виртуального МСА.

С целью проверки разработанный виртуальный МСА использовался в γ-спектрометре одновременно с реальным. Система состояла из точечного источника излучения ¹³⁷Cs (5 мкКи), сцинтилляционного детектора NaI(Tl) (3 × 3 дюйма), высоковольтного источника питания (ORTEC 456), предварительного усилителя (ORTEC 113), усилителя (ORTEC 485), реального МСА (ORTEC TRUMP 8k), дигитайзера (NI USB-5133) и разработанного виртуального МСА. Частота дискретизации дигитайзера 100 Мвыб/с, разрешение 8 бит [19]. Используемая экспериментальная установка показана на рис. 4.

Рис. 4.

Схема спектрометра. d  – расстояние от источника до детектора, HV – источник питания высокого напряжения.

Как видно из рисунка, частицы, испускаемые источником излучения, регистрировались сцинтилляционным детектором. Сигналы с детектора поступали на предусилитель и затем на усилитель. Энергетический спектр γ-излучения одновременно отображался в обоих МСА при подаче выходных сигналов усилителя на реальный и виртуальный МСА через дигитайзер.

В эксперименте использовались значения расстояния d от источника до детектора, равные 1, 2, 3 и 4 см. Результаты, полученные от реального и виртуального МСА сравнивались между собой. Во время измерения реальное время поддерживалось постоянным на уровне 200 с в обоих МСА. Полученные результаты приведены в разд. 3.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты измерений реальным и виртуальным MCA общего количества импульсов, реального времени и доли мертвого времени для различных расстояний от источника до детектора приведены в табл. 1. Данные этой таблицы также показаны графически на рис. 5.

Рис. 5.

Общее число отсчетов для различных расстояний источник–детектор.

Число импульсов в фотопиках для различных расстояний детектор−источник, полученные каждым МСА, приведены в табл. 2.  Данные этой таблицы также показаны графически на рис. 6.

Рис. 6.

Отсчеты в фотопиках для разных расстояний источник−детектор.

Результаты определения энергетического разрешения для разных расстояний источник−детектор, полученные каждым МСА, приведены в табл. 3.

Формы спектров, отображаемых в реальном и виртуальном МСА, сравнивались между собой в дополнение к результатам, приведенным в таблицах. Формы спектров γ-излучения, отображаемых одновременно в обоих МСА, для расстояний источник−детектор 1 и 4 см, приведены на рис. 7 и 8 соответственно. В реальном МСА максимум фотопика оказывается в 64-м канале при расстоянии источник−детектор 1 см и смещается к 66-му каналу при расстоянии 4 см. В виртуальном МСА максимумы фотопиков, полученных для тех же расстояний, оставались постоянными (68-й канал).

Рис. 7.

Гамма-спектры, полученные реальным (а) и виртуальным МСА (b) при расстоянии источник−детектор 1 см.

Рис. 8.

Гамма-спектры, полученные реальным (а) и виртуальным МСА (b) при расстоянии источник−детектор 4 см.

Спектры могут быть представлены обоими МСА также и в логарифмической шкале. В виртуальном МСА при этом использовалась функция “Logarithm Base 10”. Для примера на рис. 9 приведены в сравнении спектры в логарифмической шкале для обоих МСА при расстоянии 4 см.

Рис. 9.

Спектры в логарифмической шкале, представленные в реальном (а) и виртуальном МСА (b) при расстоянии источник−детектор 4 см.

На рис. 10 для сравнения показаны спектры при минимальном (1 см) и максимальном (4 см) расстояниях источник−детектор для обоих МСА.

Рис. 10.

Спектры при минимальном (1 см) и максимальном (4 см) расстояниях источник−детектор для реального (а) и виртуального (b) МСА.

Также был написан код для сравнения четырех спектров, соответствующих разным расстояниям от источника до детектора, в виртуальном МСА. Эти спектры показаны на рис. 11. Это сравнение можно провести только для виртуального МСА, поскольку для реального МСА доступно сравнение только двух спектров. В этом преимущество виртуального МСА перед реальным.

Рис. 11.

Сравнение четырех спектров в виртуальном МСА.

Кроме того, виртуальный МСА позволяет выводить на экран сами сигналы. В этом режиме виртуальный МСА выполняет функции виртуального осциллографа. Рис. 12 показывает вид экрана виртуального осциллографа.

Рис. 12.

Экран виртуального осциллографа.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Целью данного исследования была разработка виртуального MCA с помощью программного обеспечения LabVIEW для получения спектра γ‑излучения и определения таких параметров, как общее число сосчитанных импульсов, живое и мертвое время и энергетическое разрешение. Спектр отображался в реальном и виртуальном МСА с помощью экспериментальной установки, блок-схема которой представлена на рис. 4. Результаты, полученные с виртуальным и реальным МСА, для различных расстояний от источника до детектора сравнивались между собой. Кроме того, было исследовано, совместимы ли друг с другом формы спектров от обоих МСА.

Если расстояние от источника до детектора увеличивается, количество частиц, попадающих в сцинтилляционный детектор, и, следовательно, общее число импульсов в спектрах уменьшается, согласно данным табл. 1 и рис. 5. Кроме того, уменьшается и число импульсов в фотопике, как видно из табл. 2 и рис. 6. Видно, что живое время увеличилось, а доля мертвого времени уменьшилась с увеличением расстояния. Это означает, что мертвое время уменьшается с уменьшением частоты сигналов.

Энергетическое разрешение, полученное виртуальным МСА, как правило, меньше, чем в случае реального, как видно из табл. 3. Искажения или шум, которые всегда присутствуют в любой цепи, легко изменяют информацию в аналоговом сигнале, но гораздо слабее влияют на состояние логического сигнала [4]. Преимущество виртуального MCA состоит в том, что данные собираются с помощью дигитайзера с высокой частотой дискретизации.

Согласно рис. 7 и 8, формы спектров, отображаемых в обоих МСА, хорошо совместимы друг с другом. Поскольку значения амплитуд сигналов определялись программной функцией в виртуальном МСА, спектры, отображаемые в обоих МСА, не были полностью одинаковыми. Поскольку у нас нет никакой информации о программных функциях, используемых в реальном МСА (это конфиденциальная коммерческая информация), мы не можем комментировать различия в числах, приведенных таблицах, для обоих МСА.

Измерения показали, что для реального и виртуального МСА формы спектров в логарифмической шкале близко совпадают (рис. 9). Виртуальный МСА также позволяет проводить сравнение спектров (рис. 10). Рис. 11 показывает, что в разработанном виртуальном МСА можно сравнивать четыре спектра, соответствующие разным расстояниям от источника до детектора. Одно из преимуществ разработанного МСА заключается в том, что количество сравниваемых спектров можно увеличивать.

Рисунок 12 демонстрирует, что можно отображать сигналы в виртуальном приборе без необходимости использования реального осциллографа. Эта особенность виртуального инструмента создает определенное преимущество.

Ранее, в работе Tektas and Celiktas [17], сигналы, поступающие от генератора импульсов, накапливались в виртуальном и реальном МСА и полученные результаты сравнивались. В отличие от этой работы, разработанный нами виртуальный МСА был усовершенствован и применен к сцинтилляционному γ-спектрометру. В представленной работе была проверена его работоспособность.

Представленный в данной работе виртуальный MCA был разработан с помощью программного обеспечения LabVIEW для отображения спектров γ-излучения. Экспериментальные результаты показали, что разработанный виртуальный МСА хорошо совместим с реальным МСА и может быть использован для сбора данных для детектирования радиации.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана программа для создания виртуального MCA. Программа была использована в работе γ-спектрометра. Производительность виртуального МСА проверялась путем сравнения его с реальным МСА. По результатам был сделан вывод, что виртуальный МСА можно использовать в спектрометрах для регистрации излучения, как и реальный. Виртуальный MCA также может использоваться в α-, β- и других спектрометрах в дополнение к γ-спектрометру. Преимущество виртуального MCA заключается в расширении дополнительных возможностей.