Принципы построения спектрометрических средств измерения ионизирующих излучений

 

Прогресс в области детекторов, спектрометрических трактов, электронной и вычислительной техники и программного обеспечения позволяет говорить о новых тенденциях в разработке спектрометрической аппаратуры. В основном это обусловлено следующими причинами:

1. Развитие схемотехники и накопленный опыт разработки разнообразных изделий ядерного приборостроения позволяет осуществить в настоящее время автоматизацию большинства этапов процесса измерения. Это в свою очередь приводит к тому, что участие оператора в измерении становится минимальным и тем самым исключается возможность его субъективной ошибки как при управлении процессом измерения, так и при интерпретации результатов измерений.

2. Широкое освоение средств вычислительной техники позволяет создавать в настоящее время завершенные инфоpмационно-измеpительные и информационно-управляющие установки различной категории сложности, т.е. такие установки, которые в итоге измерения представляют пользователю готовую конечную информацию об объекте измерения и позволяют оперативно управлять различными подконтрольными процессами. Развитие смежных областей техники в настоящее время позволяют объединять несколько установок в измерительные комплексы, которые находят применение для контроля и управления особо сложными и ответственными процессами.

Если проанализировать принципы аппаратурной реализации современного арсенала спектрометрической аппаратуры, которые используются в характерных областях применения, указанных на рисунке 1, можно выделить в основном четыре структурных варианта построения спектрометров.

Первый вариант представляет собой хорошо известную, исторически сформировавшуюся традиционную цепочечную структуру, в которой составные части спектрометра образуют последовательность функциональных блоков или узлов, поочередно по мере поступления преобразующие и обрабатывающие сигнал детектора. Выходная информация таких приборов представляет собой накопленный в течение времени измерения аппаратурный спектр или участки этого спектра. Для установок этого типа характерно то, что составные ее части создаются разработчиками, нередко не связанными организационно воедино (например, разработчики соответственно детекторов или блоков детектирования, измерительного тракта и анализатора амплитуд импульсов). Такой подход из-за стремления разработчиков блоков создать универсальное изделие приводит к существенной избыточности аппаратурного обеспечения и неоптимальности технического решения спектрометра в целом. Тем не менее модульный принцип построения спектрометра создает определенную гибкость его структуры, позволяющую изменять и дополнять конфигурацию аппаратуры отдельными блоками или узлами. Преимущества такого построения проявляются наиболее значительно в прикладных и фундаментальных исследованиях, когда требуется оперативно реализовывать определенную структуру спектрометра в зависимости от требований эксперимента.

Второй вариант аппаратурного построения спектрометра представляет собой практически первый, оснащенный дополнительным узлом в виде таймеpа-контpоллеpа, выполняющего функции управления всем спектрометром и отдельными его составными частями. В этом случае по существу спектрометр представляет собой автомат с жесткой программой. Если по своей структуре второй вариант мало отличается от первого, то по своей сути здесь наблюдается переход количества в качество – переход от управляемой оператором системы к автоматической. Чаще всего в приборах такого строения используется жесткая программа:

1. Доставка образца на позицию измерения.

2. Набор спектра (или его участков) за заданное время или с заданной статистической неопределенностью.

3. Обработка результатов по определенному алгоритму.

4. Представление данных измерений и/или результатов их обработки (например, распечатка принтера, вывод на дисплей или запись этой информации в память прибора).

5. Удаление измеренного образца из зоны измерения.

6. Возврат к п.1 или сигнализация об окончании измерения.

Характерными примерами, соответствующими второму варианту построения спектрометров, является автоматические анализаторы проб, используемые в биологии, контроле окружающей среды, радиохимии и медицине, а также активационные и рентгеноспектральные комплексы для рутинных измерений.

Как показала практика разработок, спектрометры I и II вариантов могут быть скомпонованы в виде набора блоков и модулей системно-унифициpованной конструкции или же в виде так называемого монопpибоpа с единой лицевой панелью, содержащего функционально связанные узлы. Проектирование спектрометра в виде монопpибоpа позволяет исключить некоторую избыточность, свойственную блочной системе.

Третий вариант структурной реализации спектрометра базируется на применении ЭВМ (например, IBM-совместимой персональной ЭВМ), которая помимо функций управления спектрометром производит накопление измерительной информации и ее обработку.

Благодаря совершенствованию схемных решений спектрометрического тракта, исключения избыточности, свойственной модульной системе, производству широкой номенклатуры ИМС и достижениям технологии стало возможным компоновка на одной встраиваемой в ПЭВМ плате всего спектрометрического тракта, амплитудно-цифpового преобразователя, высоковольтного источника питания детектора, низковольтного источника питания предусилителя и согласующих каскадов связи с внутренним каналом ПЭВМ. Специально разработанное программное обеспечение для таких одноплатных спектрометров позволяет управлять ими непосредственно с клавиатуры ПЭВМ, обеспечивая задание коэффициента усиления, высокого напряжения, подаваемого на детектор, и времени его установления, текущего и живого времени измерения, цифрового смещения начального уровня шкалы преобразования ("нулевого" канала), порогов нижнего и верхнего пропускающих дискриминаторов и др. Помимо калибровки шкалы спектрометр может рассчитать интегральную нелинейность и разрешение пиков спектра, производить деконволюцию (разложение на составляющие) перекрывающихся пиков, рассчитывает положение и площадь пиков с их неопределенностями. Контроль работы спектрометра и его управление осуществляется оператором с помощью клавиатуры ПЭВМ, «мышью» и дисплея, на котором отображается необходимая информация. Диалоговый интерактивный режим с применением "меню" позволяет легко управлять спектрометром.

Большой объем памяти ПЭВМ обеспечивает хранение и использование не только программ управления и обработки, но также банка справочных данных. Это позволяет проводить полную обработку спектра, которая необходима при выполнении элементного или радионуклидного анализа. Все результаты измерений и их обработки могут храниться в ПЭВМ, а при необходимости выдаваться оператору или передаваться в информационную сеть.

Благодаря различным вариантам исполнения ПЭВМ (Desktop, Laptop, Notebook) сами спектрометры на их базе могут быть соответственно стационарными, передвижными или носимыми. В зависимости от типа монитора или дисплея "картинка" на нем может быть либо цветной, либо монохромной (чеpно-белой).

За счет соответствующего программного обеспечения можно в одну ПЭВМ встраивать несколько одноплатных спектрометрических устройств. В этом случае на базе одной ПЭВМ можно создавать спектрометрические системы с несколькими измерительными каналами как по видам излучения (альфа-, бета- и гамма-), так и по применяемым детекторам (например, для гамма-излучения – сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы). Благодаря возможности полной обработки информации, поступающей от различных измерительных каналов, такие системы могут использоваться в качестве инфоpма­ционно-измеpительных и инфоpмационно-упpавляющих.

Четвертый вариант построения спектрометров основан на расширении функций носимого многоканального анализатора амплитуд импульсов за счет использования микропроцессоров с различными видами запоминающих устройств, совместное применение которых осуществляет функции не только управления анализатоpом-спектpометpом, но и обработку результатов измерений и хранение измерительной информации. Компактность этой структуры, ее небольшой вес и энергетическая автономность обусловили ее применение для инспекционных и полевых измерений, в составе передвижных лабораторий и т.п. Особо перспективны использование таких спектрометров для оперативных измерений в сложных производственных условиях, например, для измерения параметров окружающей среды, на рудниках для контроля пород, для оперативного контроля радиоактивных выпадений, для экспрессного контроля радиоактивных и ядерных материалов (например, при таможенном контроле, для контроля выполнения гарантий МАГАТЭ).

Помимо основных функциональных узлов анализатора и процессора обработки информации в корпусе прибора размещены спектрометрический усилитель и источники питания блока детектирования и предусилителя. Изменение программ обработки спектров осуществляется либо сменой ПЗУ, которое хранит как саму программу так и все необходимые для обработки справочные данные, либо «перекачкой» программ с мини-дисковода. Такие спектрометры имеют, как правило, канал внешней связи с ЭВМ для трансляции в нее накопленной информации. Практически многие вспомогательные операции и программы, упомянутые для третьего варианта, реализуются и в четвертом.

Рассмотренные выше варианты построения, учитывающие отечественный и зарубежный опыт разработки, производства и тенденции их развития, показывают возможные пути создания современных спектрометров ионизирующего излучения. Приведенные варианты аппаратурной реализации спектрометров в приборостроении получили наименование:

I – "вне линии" (off line)

II – "на линии" (on line)

III и IV – "в линии" (in line).

Эти варианты фактически оговаривают статус ПЭВМ или микропроцессорной техники, используемой для обработки результатов измерения и управления спектрометром.

Изложенные положения настоящей работы позволяют в какой-то мере формализовать порядок действий по созданию спектрометрической аппаратуры для решения измерительной задачи и, возможно, уменьшить временные затраты, связанные с разработкой аппаратуры. Очевидно, что при создании конкретного спектрометра можно выполнить перечисленные выше мероприятия в следующем порядке:

1. Постановка измерительной задачи и определение характеризующего ее информационного поля.

2. Анализ существующих возможностей обеспечения качества измерения и разработки.

3. Формализация алгоритма решения измерительной задачи.

4. Определение структуры измерительной аппаратуры, включая выбор детектора, варианта построения спектрометра и при необходимости типа ПЭВМ.

5. Полная разработка спектрометра, включая отдельные его части, методики измерения, программное и метрологическое обеспечение. Для ускорения разработки на этом этапе целесообразно в максимальной степени использовать апробированные ранее и готовые решения.

6. Техническая реализация спектрометрической аппаратуры, решающей поставленную измерительную задачу.

Исходя из конкретных условий проведения работы, перечисленные выше действия и их последовательность могут подвергаться изменению, дополнению или объединению, но, как показал многолетний опыт разработки аппаратуры, предложенный подход в целом сохраняется.

Несомненно, что дальнейший прогресс в спектрометрии, ее аппаратурного оснащения и СВТ со временем, возможно, приведет к появлению революционных решений, способствующих как дальнейшей автоматизации процесса измерения, так и повышению его качества. Для их реализации потребуется создание обновленной концепции метрологического обеспечения спектрометрических измерений и серьезная работа по совершенствованию ноpмативно-технической документации (отечественные и международные стандарты, методические инструкции и т.п.), которые будут определять не только методики достижения высокой точности спектрометрических измерений, но и порядок выпуска, аттестации, поверки и сертификации спектрометрической аппаратуры.