автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Специализированные измерительные приборы на базешинных стандартов для определения характеристикионизирующих излучений

?ГБ О»

Радиевый институт им. В.Г.Хлопина

на правах рукописи УДК 539.1.07

Соловей Валерий Анатольевич

Специализированные измерительные приборы на базе тинных стандартов для определения характеристик ионизирующих излучений.

05.И .10 - приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997 г.

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П КонстанпшоваРАН.

Научный руководитель:

кандидат технических наук В.В Марченков.

Официальные оппоненты;

доктор технических наук В.И.Воробьев

кандидат физико-математических наук Б.Ф.Петров.

Ведущее учереждение.

Фтико-технический институт им. А.Ф Иоффе .

Защита диссертации состоится 1 * » ' _1998 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 034.07.01 в Радиевом институте им. В.Г'.Хлопина

по адресу: 194021, Санкт-Петербург, 2-й Муринский проспект, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Радиевого института им. В.Г.Хлопина.

Ав-ореферат разослан ' ' 1997 г

Ученый секретарь /

диссертационного совета А.В.Поздняков

Общая характеристика работы Основная цель работы состояла а создании аппаратных средств для установки, предназначенной для проведения исследований на реакторе ВВР-М ПИЯФ РАН с целью повышения точности измерения физической величины -циркулярной поляризацяи(ЦП) вылета гамма-квантов в реакции радиационного захвата поляризованных нейтронов протонами, и для шстем, ориентированных на решение задач по контролю за перемещением ядерных делящихся штериалов в райках требований МАГАТЭ с целью обеспечения нераспространения ядерного оружия.

Актуальность проблемы. В ПИЯФ РАН на реакторе ВВР-М проводятся экспериментальные работы по изучению фундаментальной реакции взаимодействия нуклонов при радиационном захвате нейтронов протонами, а также решаются задачи прикладного характера, связанные с контролем за перемещением делящихся материалов на объектах, находящихся под наблюдением со стороны МАГАТЭ. Для повышения точности измерения ЦП гамма-квантов (эксперимент проводится в рамках келлаборации между Петербургским институтом ядерной физики и Физическим отделением Гарвардского института) потребовалось создание спектрометрического тракта с высокой пропускной способностью и эффективной режекцией наложений при работе с сцинтилляционным детектором, а также разработка методики н создание средств контроля с высокой точностью коэффициента передачи спектрометрического тракта, включая фотоэлектронный умножитель Для удовлетворения современных требований МАГАТЭ к системам контроля за перемещением ядерных делящихся материалов потребовалось создание измерительных средств нового поколения.

Научная новизна. Создано аппаратное обеспечение экспериментальной установки, предназначенной для улучшения точности измерения ЦИ гамма-квантов. Спектрометрическая измерительная часть аппаратного обеспечения выполнена в стандарте УХ1, что позволило оптимально реализовать требования к многофункциональности спектрометрического тракта, обеспечить необходимую скорость обмена данными с ЭВМ, уменьшить физический объем электронного оборудования и количество внешних кабельных соединений.

Предложена методика, разработаны п экспериментально испытаны аппаратные средства, обеспечивающие сдвиг реперною сигнала от светодиода с;эквивалентным энергетическим разрешением 1*2% в область, в которой энергетическое разрешение детектора гамма-квантов составляет 10%, без изменения исходного энергетического разрешения реперного сигнала. Это позволило по реперному сигналу осуществить, контроль стабильности коэффициента передачи спектромегрического тргкта (включая фотоэлектронный умножитель) с точностью до 2* 10'*.

Предложена новая форма переходной характеристики формообразующей цепи спектромегрического усилителя -л линейным нарастанием передне о

фронта и экспоненциальным спадом, имеющач расчетный относительный шумовой заряд (ENCk), равный 1.04. Реализация подобной характеристики на основе грансверсального фильтра имеет ENCr = 1.09, что на 5% лучше расчетных значений ENCr для практически реализуемых форм импульсных характеристик времяинвариантных фильтров

Отличительной особенностью разработанных и испытанных двух моделей VXI message-based приборов общего назначения (VXI counter 96 и VXI counter 97) л л я решения задач контроля за перемещением ядерных делящихся материалов является их полное соответствие требованиям программы I'SIP МАГАТЭ. Они обладают, в частности, способностью сохранять непрерывную работоспособность при исчезновении на длительное время штатного питания VX1 крейта и позволяют восстановить нормальный режим работы VXI системы при возобновлении штатного питания крен га.

Научная и практическая ценность представленной работы Создано аппаратное обеспечение установки ДЕЙТОН-2, предназначенной для проведения экспериментальных исследований на реакторе ВВР-М ПИЯФ РАН с целью достиженья десятикратного улучшения точности измерения физической величины - циркулярной поляризации гамма-квантов. Предложены и реализованы принципы построения спектрометрического тракта с повышенной пропускной способностью, которые также использованы в ПИЯФ при разработке кремний-литиевого спектрометра и в экспериментальной установке, предназначенной для калибровки опорных нейтронных мониторов в, РТВ (Германия). Два VXI message-based прибора общего назначения модели VXI counter 96, на базе которых выполнена VXI система для методических исследований по созданию средств контроля за перемещением ядерных делящихся материалов, переданы в МАГАТЭ. .

• Созвана двухплечевая трехуровневая система полномасштабного аппаратного обеспечения экспериментальной установки, предназначенной : для улучшения точности измерения циркулярной поляризации гамма-квантов. Спектрометрическая измерительная часть аппаратного обеспечения выполнена в стандарте "УХ1, что позвопиг.0 оптимально реализовать требования к многофункциональности спектрометрического тракта, обеспечить необходимую скорость обмена данными с ЭВМ, уменьшить физический объем электронного оборудования и количество внешних кабельных соединении.

• Предложена методика, разработаны и экспериментально испытаны аппаратные средства, обеспечивающие сдвиг реперного сигнала от светодиода с эквивалентным энергетическим разрешением 1 +2% в область, в котьрой энергетическое разрешение детектора гамма-квантов составляет 10%, без изменения исходного энергетического разрешения реперного сигнала Это позволило по реперному сигналу осуществить контроль

стабильности коэффициента передачи спектрометрического тракта

(включая фотоэлектронный умножитель) с точностью до 2*10"'.

• Предложена новая форма переходной характеристики формообразующей цепи спектрометрического усилителя с линейным нарастанием переднего фронта и экспоненциальным спадом, имеющая расчетный относительный шумовой заряд(ЕЫСц), равный 1.04. Реализация подобной характеристики на основе трансверсального фильтра имеет RNCr=1 09, что на 5% лучше расчетных значений ENCr для практически реализуемых форм импульсных характеристик времяинвариантных фильтров.

• Созданы две модели VXI message-based счетчиков: VXI counter % и VXI counter 97. Они выполнены в виде VXI приборов, принципы построения и технические характеристики которых полностью удовлетворяют требованиям к VX1 приборам общего назначения, предъявляемым к автономным системам для контроля за перемещением ядерных делящихся материалов, и отвечают требованиям программы 12SIP МАГАТЭ.

Апробация работы t Материалы, представленные в диссертации, докладывались на:

« 8-мом Международном симпозиуме по захватной гамма-спектроскопии и связанным вопросам, Фрибур, Швейцария, 20-24 сентября 1993 г.

• на IEEE конференции, Норфолк, США, 30 октября- 5 ноября 1994г.

• на Международном совещании в МАГАТЭ, Вена, Австрия, ноябрь 1996г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и фотографий. Общий объем диссертации составляет 93 страницы, включая 5 таблиц, 41 рисунок и 4 фотографии.

Содержание работы

Во введении отмечено, что перед автором данной работы в начале 90-х годов была поставлена задача создания специализированных измерительных средств для экспериментальной установки ДЕИТОН-2. Эксперимент проводи.■•-•я в рамках коллаборации между Петербургским институтом ядерной физики и Физическим отделением Гарвардского института.

В результате анализа поставленной задачи были установлены основные общие требования к разрабатываемым измерительным средствам. Эти средства должны быть выполнены в открытом международном стандарте, учитывающем специфические требования высококлассной аналоговой аппаратуры; иметь доступ со стороны высокопроизводительной стандартной шины, включающей в себя средства для целей танмирования и синхронизации; иметь модульное исполнение

Из количественной оценки основных характеристик измерительно« сродстз для экспериментальной установки следовало, что реальная скорость обмена данными по шине должна быть порядка 1.0 Мбайт/с.

Приведена сравнительная таблица шинных стандартов для оценки их применимости при решении поставленной задачи в рамках эксперимента.

При окончательном выборе стандарта и размера печатной платы в выбранном стандарте автор исходил из основных общих требований к разрабатываемым измерительным средствам с учетом реализации в модульном исполнении; необходимости обеспечения межмодульной электромагнитной совместимости для достижения необходимых метрологических характеристик; наличия локальной шины лля организации межмодульного взаимодействия; необходимости обеспечения достаточно высокой реальной скорости передачи данных по шине; обеспечения возможности расширяемости системы; возможности организации многопроцессорной системы; размещения в модуле, занимающем одну станцию полного спектрометрического тракта с учетом доступности в ПНЯФ той или иной технологии; стоимости отдельного прибора (модуля).

Исходя из этого, доя построении спектрометрической части экспериментальной установки ДЕЙТОН-2 автором был выбран стандарт УХ! с размещением функционально законченных отдельных устройств на печатной плате типоразмера С. Такой же типоразмер печатной платы УХ1 был определен при создании специализированного модуля, предназначенного для работы в системе контроля за перемещением ядерного топлива.

В глазе 1 о мечено, что основной задачей при создании установки ДЕИТОН-2 было улучшение точности измерения циркулярной поляризация вылета гамма-квантов в реакции радиационного захвата поляризованных нейтронов протонами в 10 раз по сравнений с ранее полученными, результатами. Это предопределило высокие . требования как к самой л«рим?нт8Д!>ной установке, так и к ее электронной части, соответственно.

Регистрируемый энергетический диапазон гамма-квантов составляет 0.2-! ¡0 МэВ, а основная линия 2.2 МэВ измеряется с 12-битной точностью при, энергетическом разрешении детектора по яишм 2.2 МэВ около 10% (последнее' за»IXцт от индивидуальных свойств пары ВОО к; исгалл - фотоэлектронный умножитель).

Дня исключения влияния внешних факторов в каждый измерительный спектрометрический тракт введен высокостабильный тестовый сигнал от светодиода с эквивалентным энергетическим разрешением не хуже 2% Для получения точности измерения циркулярной поляризации вылета гамма-кватов в реакции радиационного захвата поляризованных нейгронов протонами, равной ¡О4, следует иметь среднюю скорость событий в секунду в каждом измерительном канале около 70*103 при вероятности наложений не более 10%. При этом попное время измерения для набора требуемой статистики составляет около 100 суток. Исходя из условии проведения эксперимента и

• 7

анализа требований к измерительным средствам, была разработана двухплечевая система организации электронного оборудования и предложена трехуровневая система организации сбора данных.

Установка состоит из двух блоков детектора, двух крейтов VXI со встроенными интеллектуальными VXI крейт-контроллерами, трех крейтов САМАС, управляемых компьютерен PCI, и двух компьютеров РС2 и РСЗ, удаленных на расстояние 100 м.

Все компьютеры и VXI крейт-контроллеры объединены в одноранговую локальную вычислительную сеть через Ethernet линию. На рис 1 приведена структурная схема экспериментальной установки. Уровни организации установки:

Первый уровень. Индивидуальный спектрометрический тракт.

Второй уровень. Объединение 7-ми индивидуальных спектрометрических трактов в одно измерительное "плечо". Организация предварительной обработки данных на уровне VXI крейта. Формирование единой системы синхронизации, контроля и управления физическими параметрами экспериментальной установки с использованием 3-х крейтов САМАС и управляющего ими компьютера РС1.

Третий уровень. Объединение в локальную вычислительную сеть VXI интеллектуальных крейт-контроллеров каждого измерительного "пле ¡а", компьютера РС1, обеспечивающего управление крейтами САМАС, расположенными в экспериментальном зале, компьютеров РС2 и РСЗ, расположенных в лаборатории.

Симметрично относительно твердотельной параводороднои мишени расположены два блока детекторов гамма-излучения, каждый из которых включает в себя по семь детекторных сборок - ДС. Каждая детекторная сборка состоит из: светодиода; кристалла BGO сцинтиллятора; фотоэлектронного умножителя; активного делителя напряжения для фотоэлеюронного умножителя (ФЭУ).

Подчеркнуто, что для организации маркирования в анализаторной памяти спектрометрического канала(СК) сигнала от реперного светодиода используйся сигнал LCD, распространяемый по Local Bus VXI шине

По Local Bus при совместной работе СК организована также зашита при частичном поглощении гамма-кванта в одном BGO кристалле, т.е. фактически организован межмодульный обмен информацией по локальной шине.

Для запрещения накопления спектра энергетического распределения гамма-квантов при изменении состояний поляриметров установки ДЕИТОН-2 использована цепь SUMBUS VXI шины

На VXI встроенных интеллектуальных крейт-контроллерах и персональны* компьютерах PCI, РС2, РСЗ установлена многозадачная операционная система(ОС) реального времени ONX Приведены основные достоинства ОС QNX.

Блок детепу.роэания 1 _> ДС1 <-

■1

дсг

А?

Мишень-4-

/

Блок детектирования 2

ДС1

____£

Крейт САМАС-1

КФО

о о

¥ С ш •»• с аз £

L ____

Крейт VXI 1

О

52 о

КрейтСАМАС-21'j- Крейг САМАС-3 j |

I

1

Крейт VXI2

PC 1

С jnsole

т-

S!

Data Processing

гт

r"m

РС2

РСЗ

Рис I. Структурная схема экспериментальной установки ДЕЙТ ОН-2

Функциональная нагрузка между интеллектуальными средствами

распределена следующим образом:

• VX1 крейт-конгроллер • Обеспечивает управление через шину VX1 параметрами спектрометрических VXI модулей, а также осуществляет чтение/запись данных иг памятей спектрометрических каналов. Производит обработку полу генных спектров на уровне одного крейта измерительного плеча установки. Обеспечивает предварительное сжатие данных и управляет on-line системой цифровой стабилизации коэффициента передачи в каждом измерительном спектрометрическом хаиале. Обеспечивает передачу/прием данных и управляющей информации через локальную вычислительную сеть.

• Персональный компьютер РС1 : Обеспечивает через интерфейс EUR-6500 управление источниками высоковольтного напряжения, расположенными в крейтах САМАС-1 и САМАС-3. Обеспечивает функционирование подсистемы контроля и управления физическим оборудованием, расположенной в крейте САМАС-2. Управляет работой синхронизатора установки, расположенного в крейте САМАС-2. Обеспечивает передачу/прием данных и управляющей информации через локальную вычислительную сеть.

• Персональный компьютер РС2 : Обеспечивает управление ходом эксперимента через локальную вычислительную сеть. Осуществляет online отображение в графическом виде процесса набора данных, функционирования и настройки лараметров(при необходимости) экспериментальной установки.

• Персональный компьютер РСЗ. Осуществляет архивацию по пученной информации. Производит обработку экспериментальных данных.

Следует отметить, что на структуру экспериментальной установки оказало сильное влияние то, что максимальная скорость производства информации составляет W = 75 Мбайт/час при скорости поступления данных V « 1 Мбайт/с. Требуемая скорость передачи данных по шине VX1 равна Vtr= 0.48 Мбайт/с. Поэтому возможно использование для передачи полученных экспериментальных данных между интеллектуальными встроенными VXI контроллерами (расположенными в реакторном зале) и персональными компьютерами РС2 и РСЗ (расположенными в лаборатории) шины Ethernet. Согласно условиям проведения эксперимента, необходимо было обеспечить кратковременную течение одного цикла измерений, длчтельности которых лежат в диапазоне 20+3200 секунд) стабильность коэффициента усиления спектрометрического тракта не хуже 2*10"'. Это не представлялось возможным осуществить по накапливаемому энергетическому спектру потому, что энергетическое разрешение детектора по основной регистрируемой линии 2.2 МэВ составляет около 10% С целью обеспечения возможности стабилизации коэффициента усиления с указанной точностью был введен реперный сигнал or светояиода с эквивалентным энергетическим разрешением

1+2% и, соответственно, имеющий значительно большую энергию фотовспышки, чем от гамма-квантоз При этом автором было предложено просто« техническое решение, позволяющее автоматическими поступлении реперного сигнала) изменять коэффициент усиления усилительного тракта с использованием операционных усилителей с переключаемыми входами.

В работе представлена упрощенная схема одного канала семиканального управляемого предусилителя. Отсутствие высоковольтных цепсй(по отношению к известным решениям) для переключения коэффициента усиления и реализация схемы деления с использованием только пассивных элементов являются основными преимуществами такого способа управления коэффициентом усиления в широком динамическом диапазоне при температурной стабильности до 5*10"' if С. В качестве управляемого усилителя использовался операционный усилитель ОРА 676 фирмы Bun-Brown. Экспериментальные испытания показали, что коэффициент деления легко реализуется от 1 до 100. Таким образом, введение стабильной световой вспышки от светоднода, лежащей в области единиц десятков МэВ, и перемеще tic ее п область 2+4 МэВ без ухудшения энергетического разрешения позволило получить своеобразный тип магнитометра (влияние внешних факторов на коэффициент усиления ФЭУ ограничивало точность измерения в предыдуием эксперименте) Очевидно, что амплитуды сигналов на выходе ФЭУ от световых Еспышек светоднода точно так же чувствительны к изменениям магнитного поля, влияющего на коэффициент усиления ФЭУ, как и амплитуды сигналов на выходе ФЭУ от световых импульсов, порождаемых при поглощении гамма-квантов в BGO кристалле.

Поскольку энергетическое разрешение по светодиодной линии не хуже 2%, стало возможным оценивать изменения, коэффициента усиления ФЭУ на уровче 2*10"5 при энергетическом разрешении детектора по основной регистрируемой линии около 10%.

На рис. 2 приведены светодиодный реперный сигнал, имеющий разрешение 2%, и спектр, получаемый при регистрации гамма-квантов с энергией 662 кэВ при разрешении детектора около 10%.

Аппаратные средства, осуществляющие стабилизацию коэффициента усиления триста и смещения базовой линии усилителя, выполнены на базе интегральных ОУ и включенных в цепь отрицательной обратной связи ОУ интегральных управляемых через VXI шину цифроаналоговых преобразователей.

Особое внимание автором было уделено параметрической стабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Был разработан и испытан относительно простой актьаный высоковольтный делитель с использованием эмютерных порторителей для питания четырех последних динодов. Испытания показали, что три изменении загрузки от 10*10' имп/с до 100*10* имп/'с (по линии 662 хэВ) коэффициент усиления ФЭУ изменялся не более, чем на 2%, то есть в 10 раз меньше, чей при использовании резистивного делителя, рекомендуемо го заводом-изготовителем.

Рис. 2. Светодиодный реперный сигнал с разрешением 2% при 10% энергетическом разрешении детектора по линии 662 кэВ

В главе 2 приведены обобщенные сведения о шумовых характеристиках времяинвариангных ■ формирователей сигнала, имеющих, в частности, следующие импульсные характеристики спектрометрического тракта:

• CUSP - h(t) = exp (it>,

• истинный Гауссиан - h(t) = exp (-t2),

• квазигауссиаи - ht,t) = K,*exp(-3t) * sin't,

• треугольник - h(t-) = (l+t). -1stSO,

h(t+) = (l-t), Osasl,

• «вазитреуголышк - h(t) = exp(-3t)(7.64*sin2t+2.53,,'sin''t+37.74*sin6t),

• CR - (RC)" - h(t) = (t7n!)«exp(-t)

Исходя из условий проведения эксперимента на установке ДЕЙТОН-2 (в каждом измерительном канале входная загрузка составляет 70*103 имп/с, число наложенных сигналов не должно превышать 10%, высокое энергетическое разрешение реперного сигнала 1+2%), автором было уделено особое внимание возможности использования времяинеариантного формирователя на основе трансверсальиого фильтра. Путем подбора весовых коэффициентов возможно аппроксимировать необходимую импульсную характеристику. Автором была

предложена новая форма h(t) с линейным фронтом нарастания и экспоненциальным спадом - CUSP с линейным фронтом нарастания :

f t / тм при t < Гм

h(t)= i

LexpI-(t-TM)/Tol при t > Тм

При Т.м = 2to было получено:

N р2 =1 OS, N 5г = 1.08 и ENCr = 1.04,

где Тм - пиковое время импульсной характеристики от нулевого до максимального ее значения, т» - оптимальная постоянная времени формирования, Np - параллельный шум формирователя h(t), Ns-последовательный шум формирователя h(t), ENCr относительный шумовой заряд формирователя h(t).

Импульсную характеристику спектрометрического тракта при использовании реального трансверсального формирователя, синтезированного на базе дифференцирующей цепи с постоянной времени г н линии задержки, можно записать в виде:

КО = ± W, expHt -1,) / rY Р - exp(t -1,) /1 rarr ], i 1

где n - число сигналов аппроксимации, tj - шаг задержки, Wi - весовой коэффициент суммирования, т„„т - постоянная времени интегрирования сумматора

С использованием трансверсального • формирователя возможно реализовать импульсную характеристику спектрометрического тракта (переходную характеристику формообразующей цепи спектрометрического усилителя) вида CUSP для сигналов с экспоненциальным спадом при постоянном либо экспоненциальном шаге задержки, или вида CUSP с линейным фронтом при постоянном шаге задержки:

• Весовые коэффициенты суммирующей цепи соответственно равны ;

Wi,«. = exp(-i^-bJ)- £ W.,[exp(-Ь—iL))»{] _

T J ■ т rWIT

Wia(CU5P =f-SWfl [exp(- [1 - exp(- --- .

'м 'rl r Tmn

Результаты расчетов для числа шагов аппроксимации п от 7 до П, пикового времени Тм, равного 2to и 3 :<>, а также при постоянной времени интегрирования 3т„„=(0 3; 0 6; 0 9) ю. приведены в таблице 1.

Верхний предел 1/Тшума равен Np*N*-ENC*.

Таблица 1

Кол-во шагов аппроксимации

Вид шума ГГчковое время п - 7 п-9 п= 11

Тм/то Зт.яАо Зтн„Ут|) 3t,llt/to

0,3 0,6 0,9 0,3 0,6 0,9 0,3 0,6 0,9

Аппроксимация CUSP с постоянным шагом времени задержки

NjT, 2 0.91 1.03 1.12 0.93 105 1.14 0.95 1.07 1.42

3 0.97 1.11 1.20 1.02 1.15 1.24 1.05 1.17 1.25

w;/r. 2 3.2S 2.00 1.61 2.48 1.61 1.36 2.17 1.48 1.27

3 4.1 2.3 1 8 3.05 1.82 1.42 2.49 1.53 1 24

ENCr 2 1.30 1.2 1.16 1.23 1.14 1.12 1.20 1.12 1.10

3 1 41 1,27 1.20 1.33 1.20 1.15 1.27 1.15 1.12

Аппроксимация CUSP с экспоненциальным шагом времени задержки

Щ'г, 2 0.99 1 00 1 08 0.91 1.01 1.08 0 98 1.01 1.08

3 0.99 1.07 1.13 1.01 1.09 1.15 1.02 1.10 1.17

Ni/r, . 2 3.27 1.71 l.'jl 1.98 1.51 1.37 1.68 1.42 1.34

3 2.25 1.60 1.36 1.96 1.38 1.23 1.68 1.26 1.17

' ENCr 2 1.31 1.14 1.13 1.16 1.11 1.10 1.11 1.09 1.10

3 1.25 1 14 1.11 1.19 1.11 1.109 1.14 1.09 1.08

Аппроксимация CUSP с линейным фронтом с постоянным шагом времени задержки

ьг;*г, 2 1.17 1.28 1.33 1.19 1.3 1.35 1.22 1.3 1.36

3 1.38 1.51 1.58 1.43 1.54 1.62 1.49 1.58 1.64

N.'/r. 2 2.35 I 44 1.19 1.85 1.26 1.09 1.64 1.16 1.04

3 3.47 1.80 1.35 2.64 1.43 1.13 2.24 1.26 1.02

ENCr 2 1.29 1.17 1.12 1.22 1 13 1.10 1.19 1.11 1.09

3 1.48 1.29 1 21 1.4 1.22 \.16 1.35 1.19 1.14

Сводные шумовые характеристики формирователей ., приведены в таблице 2. Другой важной характеристикой формирователей является их мертвое время Td (Dead Time).

ч

Для пуассоновских потоков средняя частота неналоженных импульсных сигналов на выходе формирователя Мост связана с загрузкой по входу N1.1 соотношением :

Ы0,т = N¡0 * ехр(-Ыт*Тс1),

Из приведенного выражения следует, что максимальная частота неналоженных сигналов равна :

Ышах = 1/(е*Та).

Таким образом, быстродействие спектрометрического тракта зависит прежде всего от мертвого времени формирователя. Для формирователей типа квашгаусснан, квазитреугольник, СИ - (ЯС)" мертвое время равно:

« = Тм + Тг + Тм,

где Тм - время нарастания сигнала до максимума, Тг - время спада сигнала ог максимума до нулевого значения, а для сигналов с экспоненциальным спадом до уровня 0.1% от максимума

В случае использования трансверсальных формирователей с линией задержки мертвое время равно:

Т<! = Тм + Зтщп-.

При этом можно считать Тг « Згинт, тогда

та=тм+тг. Таблица 2

h(t) К: Щ ENCr

CUSP 1.000 1.000 1.000 1.000

Истинный Гаусгиан 1.253 1.253 1.571 1.8 20

Квазигауссиан, 11=6 0.634 2.607 1.662 1.135

Треугольник 0.667 2.000 1.386 1.075

Квазитрсуголькик 0.772 2.123 1 643 1.132

CR-(RC)", п=6 4.370 0.397 1.615 1.148

CUSP с линейным фро:гтом 1.080 1.080 1.166 1.040

Анализ результатов испытаний показывает, что формирователь, имеющий Ь(1) вида СивР с линейным фронтом и экспоненциальным спадом(квази-Си$Р), при одинаковых пиковых временах предпочтительнее формирователя на базе ЯС-звеньев ( иначе формирователей типа квазигауссиан 4-ю или 6-го порядш, используемых, как правило, б стандартных спектрометрических ус! -ителях), так как энергетическое разрешение лучше на 10%, а пропускная способность тракта выше в 1.5 раза,

Рассмотрены особенности построения спектрометрического тракта, ориентированного на работу со сцикпшдяциоийым детектором.

Для увеличения пропускной способности тракта (для уменьшения вероятности наложений из-за наличия в Nal и BGO сцинтилляторах в характеристике высвечивания медленной компоненты) обычно используют метод укорачивания сигнала, снимаемого с анода фотоэлектронного умножителя. Выражение для приблизительного расчета средней длительности шумовых импульсов имеет вид:

Т„ш =(2/7)*re*ln[8*1.7(D„„

где Тпф - длительность переднего фронта сигнала, снимаемого с анода ФЭУ при использовании конкретного сцинтиллятора; Теп - постоянная спада времени высвечивания сцинтиллятора; Dma, - максимальная регистрируемая энергия 7-квантов; fs - минимальный уровень шумов в системе сцинтиллятор-ФЭУ; N0 - количество фотонов, порождаемых сцинтиллятором при полном поглощении у-кванта с энергией 1 МэВ; k-x¡> - квантовая эффективность пары сцинтиллятор-ФЭУ.

Для BGO сцинтиллятора, используемого в экспериментальной установке ДЕКТОН-2, время укорачивания должно быть Тук 2 360 не (выбрано 400 не).

Исходя из приведенных условий проведения эксперимента, в качестве формирующей цепи был выбран времяипвариантный трансверсальный формирователь с линейным фронтом 'переходной' характеристики, имеющий пиковое время 550 не. Данный формирователь имеет минимальное мертвое время и приемлемые шумовые характеристики. Для пикового времени, равного 550 не, достаточно 7 шагов аппроксимации 'переходной' характеристики. Определение весовых коэффициентов трансверсального формирователя и параметров активной схемы укорачивания оыло проведено путем расчетов на SPICE модели фильтра.

Характерным для амплитудной спектрометрии является то, что независимо от достигнутой пропускной способности формирователя при статистически распределенных во времени сигналах возникает необходимость в анализе наложений одного сигнала на другой. Без режекции наложенных сигналов (т.е. без предварительного отбора неналоженных) всегда имеют место искажения (и меньшей или большей степени в зависимости от ^агоузки) формы энергетического спектра Простейшим способом анализа наложений является способ инспекции на предмет поступления хотя бы двух сигналов в течение времени нарастания сигнала, подлежащего измерению. Минимальное время между двумя сигналами усилителя, подлежащими формированию и не воспринимаемыми как один сигнал, является в данном случае разрешающим временем режсктора наложений. Это время находится в пределах 300+500 не. Очевидно, что п нашем случае, тогда длительность укороченного сигнала равна 400 не, т?"Оп простейший способ определения наложенных сигналов не эффективен

Рассмотрен относительно простой способ определения

наложений путем контроля длительности сигнала на выходе укорачивающей цепи. Разрешающее время режектора в этом случае равно защитному времени и в нашем случае составляет порядка 120 не. Модификацией способа определения наложений путем контроля длительности сигнала является способ формочувствительной режекции наложений, при котором одновибратор вырабатывает импульс длительностью, равной пиковому времени сформированного сигнала. По окончанию импульса, вырабатываемого одновибратором, осуществляется контроль разностного сигнала между прямым сигналом, вырабатываемым формирователем, и выходным сигналом укорачивающей цепи, задержанным на время, равное пиковому времени сформированного сигнала и отнормнрованному по амплитуде к выходному сигналу формирователя при отсутствии наложений. Последний способ автором был смоделирован на SP1CE модели.

Рассмотрена классическая структура многоканального амплитудного анализатора(МСА), которая включает в себя следующие функциональные узлы: пиковый детектор (PKD), аналого-цифровой преобразователь (ADC); анализаторную память с интерфейсом (Mem); схему логики (LOG).

Показано, что устройство выборки и хранения в качестве пикового детектора может быть использовано в МСА с невысокой точностью измерения.

Рассмотрен разработанный автором пиковый детектор, который имеет основные технические характеристики, достаточные для использования в высокоточных . измерительных системах. Интегральная нелинейность разработанного PKD не превышает ±0.02%.

Рассмотрены основные требования к аналого-цифровым преобразователям МСА. Показано, что на сегодняшний день оптимальным является построение МСА на базе ADC, использующих метод поразрядного кодирования с уменьшением исходной дифференциальной нелинейности. за счет усреднения профиля канала (метод "скользящей" шкалы). Согласно данному методу, измерение одного и того же сигнала осуществляется в М точках шкалы. При этом дифференциальная нелинейность уменьшается в М раз. В соответствии с этим возможно использовать легко доступные ADC, имеющие время преобразования единицы микросекунд при точности преобразования 12 дв. разрядов. При этом, используя для разравнивания 95 каналов (М=95), получим рабочую шкалу преобразования до 4000 каналов, т.е. уменьшенную всего лишь на 2.5%, а дифференциальную нелинейность - менее 1% (при исходной - 50%). Приведены результаты испытаний.

При построении МСА с высокой пропускной способностью использован тот факт, что поток измеряемых сигналов имеет случайный характер. Пропускная способность МСА увеличена путем введения между пиковым детектором и ADC аналоговой FIFO памяти и организацией конвейерной обработки сигнала в МСА. Для проверки схемных решений автором был испытан макет МСА, в котором в качестве ADC был выбран AD7892 фирмы Analog Devices, а функции кольцевою счетчика, вычнтателя, а также

организации анализаторной памяти и интерфейса выполнялись на основе 16 разрядного цифрового сигнального процессора ADSP--2181.

Отмечено, что достигнутая пропускная способность разработанного МСА в 52*10' импульсов в секунду при пиковом времени усилителя Тт=2.2 мкс (мертвое время усилит ?).-« при использовании квазигауссиан формирователя 6-го порядка равно То= 3*Тт=й.6 мкс) является практически предельно достижимой, так как дтя Td=6 б мкс максимальная выходная скорость счета составит Nmax= 56*10' импульсов в сскуиду

Далее представлены разработанные блок-схемы детекгорно-зависимой и детекторно-независимой частей спектрометрического тракта. Приведено их краткое описание и • конструктивное решение при реализации спектрометрического тракта в VXI модуле одинарной ширины с типоразмером печатной платы С.

Испытания спектрометрического тракта показали, что он обладает

следующими основными характеристиками:

•коэффициент усиления

минимальный............................................................................................10

максимальный..........................................................................................640

•Пиковое время усилителя .......................................................................550 нс

«разрешающее время усилителя..............................................................450 нс

•приведенный по входу шум ..................................................................30 мкВ

•разрешающее время режектора наложений.......................................... 120 не

•число каналов аналого-цифрового преобразователя...............................4000

•дифференциальная нелинейность .............................................................£1%

•интегральная нелинейность..................................................................¿0.1%

•разрешающее время амплитудного анализатора................................2.5 мкс

•реальная скорость обмена по шине VXI*

чтение.................................................................................. 1 Мбайт/с

запись ................................................................................... 2 Мбайт/с

(* при использовании контроллера ЕРС-7 фирмы Radi Sys и пр эграммного обеспечения для экспериментальной установки ДЕЙТОН-2 под управлением ОС QNX и анализатора шины VXI VBT325C фирмы VMETRO)

•управление параметрами тракта.................................................программное

Следует отметить, что длительность операций чтение/запись модуля составляет 250 не, т.е. при использовании более высокопроизводительного контроллера можно увеличить скорость передачи данных по VXI шине до 8 Мбайт/с. Приведены спектры, иллюстрирующие высокую эффективность работы режектора наложений, осуществляющего режекцию наложенных

импульсов тремя способами по счету, по длительности, по форме. На рис. 3 приведен график пропускной способности одного измерительного канала УХ1 спектрометра.

Я О 103 200 300 400 soo

о

Входная скорость счета

Рис. 3. Пропускная способность VXI спектрометра (скорости счета представлены в тысячах импульсов в секунду)

Достигнутая пропускная способность спектрометрического тракта (10(Ы10)*103 имп/с при входной загрузке по гамма-квантам (200->300)*103 имп/с позволяет иметь полную пропускную способность измерительного плеча экспериментальной установки около 400* 103 имп/с при входной загрузке 500* 103 имп/с и вероятности наложений 7%. Использование VX1 стандарта для построения спектрометрической части экспериментальной установки позволило построить систему с реальной скоростью обмена по шине не менее 1 Мбайта/с. Для организации работы модуля в составе экспериментальной установки во время набора статистики испопьзуется Local bus VXI шины.

Глава 3 посвящена созданию специализированных средств, ориентированных на использование в системах контроля за нераспространением ядерных делящихся материалов (ДДМ), среди которых особо выделяются системы URM. Системы URM - это интегрированные системы радиационного и видеоконтроля, работающие длительное время (не менее полугода) без присутствия инспектора МАГАТЭ или же оператора. Они должны обеспечивать обнаружение любого (санкционированного и не санкционированного) перемещения ЯДМ, находясь в ждущем режиме. При обнаружении передвижения ЯДМ они должны осуществлять автоматический переход в активный режим, фиксировать время, интенсивность и энергетические спектры излучения, обеспечивая при этом видеоконтроль. При уходе ЯДМ из поля зрения системы - автоматический переход в ждущий режим. Системы URM должны предоставлять возможность извлечения информации во время инспекции. В 1993 году МАГАТЭ приняла .специальную программу комплексного построения систем инструментального контроля I2SIP (IAEA Integrated Safequards Instrumentation Programme).

В качестве открытого инструментального стандарта для построения систем URM в МАГАТЭ был принят стандарт VX[. Данный стандарт является открытым международным стандартом, отвечающим концепции: один модуль

это есть функционально законченный прибор VXI стандарт базируется на хорошо отработанном механическом конструктиве Евромсханнка, и только что анонсированный стандарт Compact PCI ткхже базируется на этом стандарте. Использование конструктива Епромсханнка позволяет использовать широко освоенные и проверенные временем решения. VXI стандарт в качестве спецификации на шину использует спецификацию УМЕ шины и полностью ее включает в себя. VME шина в течение десятилетнего использования в промышленных системах сбора данных и управления подтвердила свою надежность и до сих пор успешно развивается и лидирует в этой области. Очень важным преимуществом VXI стандарта является наличие в нем высокоуровневых протоколов обмена данными. Процесс обмена данными базируется на высокоуровневом протоколе Word Serial Protocol (WSP), широко применяемом в стандарте IEEE - 482 2, и аппаратно-независнмом языке SCPI доступа к управлению VX1 приборами. Это позволяет говорить о наличии стандарта на внешний (по отношению к приборам) стандарт на программное обеспечение По мнению автора, WSP следует использовать только для передачи команд к VXI приборам, для установления начальных условий при старте системы и т.п. Для передачи какого-либо значимого объема данных необходимо использовать проецируемую на шину Shared memory, передачу данных через которую можно инициировать через WSP.

На момент начала работ в ППЯФ в Канаде уже создавался прибор общего назначения - VXI counter (проект ADAM), В работе приведено краткое описание этого прибора и его основные недостатки, которые явились причиной для пересмотра требований к приборам общего назначения, используемых в системах URM, м привели к необходимости создания нового прибора.

В 1995 году отделом Safeguards МАГАТЭ и при активном участии автора (как представителя ППЯФ) в результате исследований были выработаны основные требования к приборам общего назначения для систем URM. Первоначальное назначение прибора - использование его в методических исследованиях, проводимых с целью отработки содержания его системной части w программного обеспечения. В качестве (Ьунгционлльной части были предложены средства измерения интенсивности ионизирующего излучения,. Максимальный требуемый объем энергонезависимой памяти при работе системы URM без питания крейта в течение недели должен быть 25 Мбайт. , Потребляемая мощность прибора к 12+18 Ьт. Минимальное значение времени приема сигналов информационными каналами Gate Time при частоте считывания данных, равной Fc=10 Гц, - 100 мс. Мертвое время (Dead Time) при этом не должно превышать 10 мс. Приемлемая точность временной отметки, определяемая энергонезависимыми часами(КТС), равна 10 мс. Точность установки Gate Time не должна превышать 0.1% от минимального его значения. В работе было показано, что реальная скорость передачи данных должна бить не менее 450 кбайт/с. Реализация и развитие счетчика осуществлялись путем создания двух его моделей с развитой системной частью.

VXI counter 96.

В основу построения VXI интерфейса была положена интерфейсная карта DT9I50 фирмы Interface Technology на базе процессора 68000. VXI протокол обмена интерфейсной карты DTS150 построен на базе выводной микросхемы IT9010M, содержащей проецируемые на VXI шину регистры message-based устройства (базовые конфигурационные регистры - Basic Communication Register), коммуникационные регистры (Communication Register) и регистры, позволяющие организовать передачу данных через Shared Memory (Shared Memory protocol). Микросхема 1T90WM обеспечивает также механизм поддержки протокола прерываний через VXI шину.

В работе представлена структурная схема, учитывающая необходимые функции прибора и требования со стороны МАГАТЭ. Все устройства прибора располагаются в адресном пространстве локальной шины процессора 68000 карты DT9150. С целью удобства при отладке программного обеспечения (либо прл смене его версии) исполняемый код для процессора 68000 размещается в энергонезависимой памяти(МУ), а не в EPROM.

В качестве NVSRAM используются два модуля фирмы Dallas Semiconductor DS2227, имеющие организацию 256К*16 байт. В качестве накопителя информации емкостью более 25 Мбайт использован "flash card" в стандарте PCMCIA.

В качестве часов реального времени с временным разрешением 10 мс был выбран RTC фирмы Dallas Semiconductor DS1248Y, имеющий формат данных времени, соответствующий индустриальному стандарту.

8 разрядный АЦП AD7575 фирмы Analog Devices служит для измерения напряжения питания UPS

По линии IS3 расположена схема эмулирования шины РС104 (РС104 Bus Support) При этом осуществляется эмуляция шины РС-104 в 8 разрядном и 16 разрядном режимах работы. Отдельно происходит эмуляция процессов записи/чтения для портов ввода/вывода шины РС-104 и области памяти PC 104 Bus. Восемь информационных кгналов и счетчик формирования Gate Time расположены в области локальной шины процессора 68000 карты DT 9150 и декодируются 1S6 Информационные каналы выполнены на базе микросхемы 82С54-2, которая содержит три 16-разрядных счетчика и имеет 8-разрядный интерфейс. Счетчик формирования Gate Time выполнен на базе'микросхемы 82С54-2, позволяющей при тактовой частоте 1 МГц формировать Gate Time с максимальной длительностью, равной 1000 секунд.

Для обеспечения совместимости между выбранной элементной базой фирмы Motorola и фирмы Intel в приборе организована локальная 16-ти-разрядная шина, по управляющим сигналам совместимая с шиной семейства процессоров «JupMbi Intel (Intel local Bus) К этой шине подключены банки BankO и Bank! энергонезависимой памяти NVSRAM, RTC, ADC, 8 счетчиков информационных каналов, счетчик формирования Gate Time и схема PC 104 -Bus Support Все эти устройства декодируются сигналами USO, USI, US2. L'S6 и

US3, соответственно. Эти сигналы конвертируются в соответствующие сигналы ISO, IS 1» IS2, IS6 и IS3

Shared-Memory с организацией 32К*16 включена в адресную область процессора 68000 в диапазоне 600000- 67FFFF и декодируется US4 линией. В качестве памяти использована SRAM с организацией 32К*8 и временем доступа 20 не. Организация Shared Memory осуществляется согласно техническому описанию на интерфейсную карту DT9150.

Учитывая, что системная часть данного счетчика должна отвечать требованиям базового измерительного прибора систем URM. в его состав введен процессор ADSP-2171 фирмы Analog Devices. Процессор ADSP-2171 представляет собой 16-разрядный DSP с тактовой частотой 16 Мгц.

Для организации управления схемой прерываний (IRQ Support), управления счетчиками информационных каналов, эмулирования части шины PC 104, взаимодействия системы управления питания с процессором 68000 карты DT9I50, для организации триггерных входов/выходов и т.д. в разработанном приборе используются микросхемы параллельного интерфейса 68230.

Для обеспечения питанием прибора и его работы при отсутствии штатного питания разработана специальная схема питания (Power managment System-PMS). PMS может отключать/подключать от DT9150 управляющие сигналы VXI шины, что позволяет сохранять непрерывную работоспособность прибора с сохранением всех его технических характеристик при исчезновении на длительное время штатного питания VXI нрейта и восстанавливать нормальный режим работы VXI системы при возобновлении штатного питания крейта. При возобновлении штатного питания перед началом работы программного обеспечения VXI системы производится деинициализгция ранее установленных базовых конфигурационных регистров fnessage-based устройства.

. Специальная схема организации поддержки прерываний IRQ Support была разработана для обслуживания трех векторов прерывания прибора при двух входах прерывания в интерфейсной карте DT9150.

В 1996 году два прибора были представлены в МАГАТЭ и в составе прототипа системы URM прошли испытания. Приборы были представлены со следующими результирующими техническими характеристиками :

•Количество информационных каналов........................................................8

•Входное сопротивление информационного канала....................... 1 к0м/50 Ом

•Максимальная частота входных сигналив ............................................... 8 МГц

•Емкость информационного канала................................................... 32 дв. разр.

•Длительность Gate Time .

- минимальная............................................................0.1с

- максимальная................... .......................................... 1000 с

•Точность установки Gate Time.................................................................± 1 мкс

•Мертвое время между двумя интервалами Gaie Time ............................... <4 мс

•Число тр;!ггеркых еходов/выходов ................................................................... 2

•объем встроенной энергонезависимой памяти............. два банка по 512 кбайг

•RTC :

- временное разрешение .................................................................... 10 мс

- Объем энергонезависимой памяти .......................................... 128 кбайт

•UPS : напрлжение резервного питания ......................................................+ 12В

• Shared Memory ........................................................................................ 64 кбайт

•Поддержка PCMCIA....................................................... до двух карт 1 и II типа

•Общий объем flash памяти ................................................................... 40 Мбайт

•Тип встроенного процессора..................................................................... 68000

•Встроенное программное обеспечение ................................................ вере. 1.4

•Потребляемая мощность.......................................................................12 Вт.

При испытаниях в качестве VXI контроллера был использован адаптер типа МХ12 - VX1 фирмы National Instruments. Адаптер MXI2 - VXI через интерфейсную высокоскоростную шину MXI2 (адаптер PCI-MXI2 фирмы National Instruments) был подключен к переносному компьютеру FieidWorks -7600 (программное обеспечение в Windows NT с использованием средств разработки Lab .Windows). В качестве VXI-reference использовался прибор VXI message-based - генератор VX7340 фирмы Textronics. Испытания показали, что скорость передачи данных по WS составила 20 кбайт/с, а скорость передачи данных через Shared Memory - 1.3 Мбайт/с. Анализ шины VXI и определение скорости передачи данных осуществлялось с помощью анализатора шины VBT-325 фирмы VMETRO. .

При разработке VXI counter 97, структурная схема которого также представлена, были учтены требования МАГАТЭ, связанные с необходимостью использования системных средств DT9160/OS9. Функциональная часть прибора осталась неизменной.

Таким образом, основными отличительными чертами прибора VXI counter 97 от VXI counter 96 явились следующее : возможность использования интерфейсных карт двух типов DT9160 (как основной), либо DT9I50, системная поддержка изда/ий в стандарте VMH-3U и обеспечение irx питанием +5В, +12В, аппаратный контроль функционирования прибора с использованием Watchdog таймера В качестве носителя PCMCI карт используется PCMCI carrier VMCI-2 в стандарте VMF.-3U фирмы PHP Modulai

System, в комплект поставки которого входят драйвера, поддерживающие "flash card" под управлением OS9 и обеспечивающие MS-DOS совмесги-мую файловую структуру.

В заключении сформулированы основные результаты работы. Материалы, представленные в диссертации, опубликованы в работах:

1. V.V. Ivanov, V.A. Solovey " A spectroscopy amplifier with transversal filter and high troughput " Nucl. Instium. and Methods, Vol. A311. p.569-572, 1992.

2. A.N. Bazhenov, V.V. Ivanov, Yn.V. Sobolev, V.A. Solovei, E.A. Tikhomirov "Data acquisition System for gamma-ггу spectrometer" CAPTURE GAMMA-RAY SPECTROSCOPY and RELATED TOPICS, proceedings of the 8* International Symposium, p.971-973, 1993.

3. A.N. Bazhenov, V.V. Ivanov and V.A. Solovei "Ultra-high troughput spectroscopy channel in a VXI С sized Module" Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference. IEEE Conference Record. p.594-595, 1994.

4. A.N. Bazhenov, V.V. Ivanov, Yu.Sobolev and V.A. Solovei "On-line-precision gain stabilizer in VXIbus standard" Nuclear Science Symposium arid Medical Imaging Conference. IEEE Conference Rccord. p.692-696,1994,

5. A.N. Bazhenov, V.N. Sedov, V.A. Solovei 'Tast-qam-switching preamplifier for Ivjh-throughput nuclear gamma-ray spectroscopy" Hucl. Instnmt. and Methods Vol. A337. p.622-624, 1994,

6. А.Н.Баженов, А.Е.Бушнев, В.В.Марченков, К.Э.Пирогов,

В. А.Солзвей, Ю В.Соболев "Применение открытых решений при создании специализированных приборов и систем автономного кот роля в рамках программы МЛГАТЭ". препринт ЛИЯФ. N-2191. С-Пе ербург, 1997.

Отпечатано в типографии ПИЯФ 188350, г. Гатчина. Ленинградская обл., Орлова роща. Зак. 435, тир. 100, уч. -изд. л. 1,2ЛИ997 г.