7.1.2 Радиометр как цепь измерительных преобразователей

Радиометры, как и другие измерительные устройства, можно представить состоящими в виде цепи электрических устройств, осуществляющих преобразование одной физической величины в другую (рисунок 7.1). В конце этой цепи находится счетное устройство, представляющее результат измерений в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором – стрелочный или цифровой индикатор. Помимо измерительных преобразователей радиометры содержат набор вспомогательных устройств, таких как источники питания, устройство управления.

Основным звеном в цепи преобразователей является детектор ионизирующих излучений. Он преобразует величины, характеризующие поле и источник излучения, в параметры электрических сигналов, вырабатываемых на выходе детектора. В радиометрах, как правило, используют импульсные детекторы частиц, которые при воздействии одиночных частиц или квантов генерируют в выходной цепи одиночные электрические сигналы.

Рис. 7.1 Блок- схема радиометра.

Следующее звено в цепи преобразователей – это усилители импульсов или усилители формирователи. В их задачу входит линейное усиление заряда, поступающего с выхода детектора, до уровня, при котором электронные шумы последующих преобразователей пренебрежимо малы по сравнению с сформированным полезным сигналом. Усилитель, как правило, представляет единый блок с детектором. Это сделано для обеспечения наилучшего сбора заряда и для снижения шумовых характеристик. Например, сцинтилляционный детектор идет в составе с ФЭУ, а у ППД детекторов предусилитель находится на самом детекторе.

После серии усилителей располагается устройство, которое производит отбор импульсов по форме, амплитуде или времени, т.е. пропускает для дальнейшей обработки сигналы определенной геометрической формы. Методы амплитудного отбора и отбора по форме позволяют провести избирательную регистрацию определенных компонент потоков ионизирующего излучения. Например, выбрать частицы в заданном энергетическом интервале.

И на последнем этапе происходит выделение потока электрических импульсов, стандартных по форме, со средней частотой, пропорциональной измеряемой активности или плотности потока, и далее результат измерения представляется на индикаторном устройстве.

7.2 Спектрометрия

К спектрометрам ионизирующих излучений относят приборы, которые позволяют представить распределение (спектр) частиц или квантов излучения по одному или нескольким параметрам, например по энергии, по массе, по заряду, по углу и т.д. Далее в качестве основного параметра будет пониматься только энергия, а под спектром – энергетический спектр.

В зависимости от вида регистрируемого излучения существуют альфа-, бета- и гамма- спектрометры. Типовая функциональная схема любого спектрометра представлена на рисунке 8.2.

Рис. 7.2 Блок-схема спектрометра.

Д – детектор или блок детектирования; БВ – блок высокого напряжения;

ПУ – зарядочувствительный предусилитель; У – усилитель - формирователь;

АЦП или МКА – аналого-цифровой преобразователь или многоканальный анализатор; ЭВМ – электронно-вычислительная машина.

Регистрация частицы, попавшей в детектор, происходит посредством ионизации или возбуждения атомов среды детектора, в результате на выходе детектора образуется электрический импульс, который усиливается предусилителем. Предусилитель предназначен для линейного преобразования выходного сигнала от детектора в импульсы напряжения или тока и их предварительного усиления. К предусилителям предъявляются очень высокие требования по шуму и стабильности. Затем сигнал поступает на усилитель-формирователь, который служит для дальнейшего линейного усиления и формирования импульсов таким образом, чтобы полученные на выходе усилителя сигналы были удобными для последующей их обработки в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП). АЦП служит для оцифровки амплитуды импульсных сигналов с последующей их регистрацией в соответствующем канале буферной памяти в зависимости от полученного цифрового кода. В спектрометрии используются специализированные спектрометрические АЦП или МКА – многоканальные анализаторы. После АЦП формируется цифровой код, который преобразуется в аппаратурный спектр.

Чтобы объективно оценить возможности применения того или иного спектрометрического средства измерения для решения конкретной задачи, важно знать основные технические и эксплуатационные параметры, характеризующие спектрометры. К основным характеристикам спектрометра относятся: коэффициент преобразования и нелинейность коэффициента преобразования, неравномерность ширины каналы в рассматриваемом диапазоне значений параметра преобразования (дифференциальная нелинейность), энергетическое разрешение, эффективность, максимальная входная загрузка, фон.

_{Энергетическое разрешение}

Наиболее важным параметром, характеризующим технический уровень спектрометра любого типа, является разрешающая способность, т.е. способность разделять две группы моноэнергетического излучения одного вида. Разрешающую способность количественно оценивают по энергетическому разрешению, являющемуся величиной, обратно пропорциональной разрешающей способности. Под энергетическим разрешением  (рисунок 8.3) понимают полную ширину пика полного поглощения на половине его высоты (ПШПВ или FWHM). Обычно  выражают в энергетических единицах, эВ. Физический смысл этого параметра заключается в том, что он определяет, какая минимальная разница в энергиях должна быть у двух моноэнергетических групп заряженных частиц или фотонов одинаковой интенсивности, чтобы спектрометр смог их различить.

Часто энергетическое разрешение выражают в относительных единицах. Относительное энергетическое разрешение _отн %, определяют по формуле:

,

где – энергия регистрируемого излучения.

Рис. 7.3 Определение энергетического разрешения по пику полного поглощения.

Энергетическое разрешение, на текущем уровне развития электроники, определяется в основном средой детектирования и геометрией детектора. Сравнивая спектрометры по энергетическому разрешению, можно сказать, что, чем меньше значение энергетического разрешения спектрометра, тем больше его разрешающая способность, тем более точным и лучшим является способность спектрометра идентифицировать (различать) радионуклиды, входящие в состав сложных радиоактивных веществ.

_{Эффективность регистрации}

Эффективность регистрации, как и энергетическое разрешение, относится к основным параметрам, характеризующим все существующие типы спектрометров, но на практике понятие эффективности регистрации в большей степени связывают с излучением, не несущим заряда, так как для заряженных частиц она обычно близка к единице. Эффективность вычисляют как отношение числа частиц или квантов моноэнергетического источника, зарегистрированных спектрометром, к числу частиц или квантов, попавших в чувствительный объем детектора в течение фиксированного интервала времени.