EA035318B1 - Method for temperature stabilization of parameters of a scintillation detector based on a silicon photoelectron multiplier to record gamma radiation, and device for implementing the same - Google Patents
Method for temperature stabilization of parameters of a scintillation detector based on a silicon photoelectron multiplier to record gamma radiation, and device for implementing the same Download PDFInfo
- Publication number
- EA035318B1 EA035318B1 EA201650024A EA201650024A EA035318B1 EA 035318 B1 EA035318 B1 EA 035318B1 EA 201650024 A EA201650024 A EA 201650024A EA 201650024 A EA201650024 A EA 201650024A EA 035318 B1 EA035318 B1 EA 035318B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- temperature
- silicon
- pmt
- scintillator
- scintillation
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к ядерной физике, а именно к способам и устройствам корректировки и стабилизации коэффициента передачи сцинтилляционного детектора ионизирующих излучений, и может найти применение для построения контрольно-измерительных приборов и систем для радиационного контроля, использующих взаимодействие кристаллического сцинтиллятора с ионизирующим излучением, в качестве первичного преобразования. Более конкретно настоящее изобретение относится к сцинтилляционным детекторам на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), преобразующим световое излучение сцинтиллятора в последовательность электрических импульсов, усиленных и сформированных электронным трактом для их последующего кодирования с учетом коррекции напряжения смещения кремниевого ФЭУ в зависимости от температуры детектора.The invention relates to nuclear physics, and in particular to methods and devices for adjusting and stabilizing the transfer coefficient of a scintillation detector of ionizing radiation, and can find application for constructing control and measuring devices and systems for radiation monitoring using the interaction of a crystalline scintillator with ionizing radiation as a primary transformation . More specifically, the present invention relates to scintillation detectors based on a silicon photomultiplier tube (PMT), which converts the light of the scintillator into a sequence of electrical pulses amplified and generated by the electronic path for their subsequent coding, taking into account the correction of the bias voltage of the silicon PMT depending on the temperature of the detector.
Уровень техникиState of the art
Известен способ пассивной компенсации температурного коэффициента усиления в кремниевых фотоэлектронных умножителях (далее ФЭУ) и аналогичных устройствах [1].A known method of passive compensation of the temperature gain in silicon photomultiplier tubes (hereinafter PMTs) and similar devices [1].
Предлагаемый способ может быть использован в схеме, включающей терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом, который устанавливается с возможностью обеспечения термального контакта с кремниевым фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Делитель напряжения, одним из элементов которого является терморезистор, задает надлежащее напряжение смещения кремниевого ФЭУ при определенной температуре, которое может корректироваться при изменении угла наклона температурной характеристики терморезистора. Таким образом, схема будет поддерживать усиление на выбранном значении.The proposed method can be used in a circuit including a thermistor with a negative temperature coefficient, which is set with the possibility of providing thermal contact with a silicon photomultiplier tube (PMT). The voltage divider, one of the elements of which is a thermistor, sets the proper bias voltage of the silicon PMT at a certain temperature, which can be adjusted when the angle of the temperature characteristic of the thermistor is changed. Thus, the circuit will maintain the gain at the selected value.
Такая схема в основном применяется при множественном (матричном) включении кремниевых ФЭУ, в основном в устройствах построения изображений, например в ПЭТ-томографах, и предполагает корректировку линейного температурного смещения кремниевых ФЭУ. Схема не учитывает нелинейность температурной зависимости кремниевых ФЭУ, нелинейность температурной зависимости собственно кристалла сцинтиллятора, хотя представляет собой наиболее бюджетное решение при матричном применении кремниевых ФЭУ.Such a scheme is mainly used for multiple (matrix) switching of silicon PMTs, mainly in imaging devices, for example, PET tomographs, and involves the correction of the linear temperature shift of silicon PMTs. The scheme does not take into account the nonlinearity of the temperature dependence of silicon PMTs, the nonlinearity of the temperature dependence of the scintillator crystal itself, although it is the most budgetary solution for the matrix application of silicon PMTs.
Известен также способ коррекции зависящих от температуры сигналов, генерируемых сцинтилляционным детектором, включающий поглощение ионизирующего излучения на сцинтилляторе, преобразование светового излучения в последовательность электрических импульсов, измерение аппаратного значения их амплитуды, пропорциональной энергии поглощаемого излучения, одновременное измерение температуры внутри детектора, вычисление ее среднего значения за время измерения, определение калибровочного коэффициента с учетом средней температуры по заданной математической функции, представляющей собой полином, с предварительно определенными параметрами, определение истинного значения энергии поглощенного излучения с учетом полученного калибровочного коэффициента, генерирование на его основе выходного сигнала детектора [2].There is also known a method of correcting temperature-dependent signals generated by a scintillation detector, including the absorption of ionizing radiation on a scintillator, converting light radiation into a sequence of electrical pulses, measuring the hardware value of their amplitude proportional to the energy of absorbed radiation, simultaneously measuring the temperature inside the detector, calculating its average value for measurement time, determination of the calibration coefficient taking into account the average temperature for a given mathematical function, which is a polynomial, with predefined parameters, determination of the true value of the absorbed radiation energy taking into account the obtained calibration coefficient, generation of the detector output signal based on it [2].
Предложенный способ реализован в детекторах, которые наряду с типовыми узлами, такими как сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и средства преобразования и обработки данных, содержат термодатчик, устанавливаемый непосредственно после ФЭУ. Рассматриваемое устройство реализовано на основе вакуумного ФЭУ, который имеет достаточно протяженные габариты, а в сочетании со сцинтилляционным кристаллом размеры детектора увеличиваются до десятка сантиметров, что при различной плотности материалов, из которых состоят собственно ФЭУ и сцинтиллятор, обуславливает значительный градиент температуры в объеме детектора в целом. При использовании же кремниевого ФЭУ температурный градиент еще более оказывает влияние на температурную стабилизацию системы, т.к. нелинейность в температурной зависимости у кремниевого ФЭУ значительно выше, чем у вакуумного, имеющего почти линейную характеристику.The proposed method is implemented in detectors, which, along with typical nodes, such as a scintillator, a photoelectronic multiplier, and means for converting and processing data, contain a temperature sensor installed immediately after the PMT. The device under consideration is implemented on the basis of a vacuum PMT, which has sufficiently long dimensions, and in combination with a scintillation crystal, the detector dimensions increase up to ten centimeters, which, at different densities of the materials that make up the PMT and the scintillator, causes a significant temperature gradient in the volume of the detector as a whole . When using a silicon PMT, the temperature gradient further affects the temperature stabilization of the system, since the nonlinearity in the temperature dependence of a silicon PMT is much higher than that of a vacuum PMT, which has an almost linear characteristic.
Качественно различные графики зависимости передаточных характеристик кристаллического сцинтиллятора и кремниевого ФЭУ при одинаковой температуре требуют их раздельной корректировки (по совершенно различным математическим алгоритмам), что в рассматриваемом устройстве не реализовано.Qualitatively different graphs of the dependence of the transfer characteristics of the crystalline scintillator and silicon PMT at the same temperature require separate corrections (using completely different mathematical algorithms), which is not implemented in the device under consideration.
Известны аналитический способ и устройство для компенсации температурной зависимости сцинтиллятора [3].Known analytical method and device for compensating the temperature dependence of the scintillator [3].
Система устройства включает в себя сцинтиллятор, фотодатчик, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом, и устройство анализатора, электрически соединенного с фотодатчиком. Устройство анализатора может включать в себя ряд схем, обеспечивающих возможность приема импульсов от фотодатчика, и анализа формы зарегистрированного импульса. Устройство анализатора может определить время нарастания импульса, интегральную интенсивность по времени, высоту амплитуды импульса. В другом варианте своего исполнения устройство может генерировать коэффициент компенсации на основе анализа времени нарастания импульса для регулировки высоты импульса.The device system includes a scintillator, a photosensor optically coupled to the scintillation crystal, and an analyzer device electrically connected to the photosensor. The analyzer device may include a number of circuits providing the possibility of receiving pulses from the photosensor, and analyzing the shape of the detected pulse. The analyzer device can determine the rise time of the pulse, the integral intensity over time, the height of the pulse amplitude. In another embodiment, the device can generate a compensation coefficient based on an analysis of the rise time of the pulse to adjust the height of the pulse.
Таким образом, в устройстве с достаточной точностью реализована компенсация температурной зависимости сцинтилляционного кристалла. Но такое техническое решение может быть применено в случае, когда система сцинтиллятор-ФЭУ термостатирована, или используется фоторегистрирующий элемент, не имеющий температурной зависимости, например PIN-диод, что влечет серьезные метрологичеThus, in the device with sufficient accuracy, the temperature dependence of the scintillation crystal is compensated. But such a technical solution can be applied when the scintillator-PMT system is thermostated, or a photo-recording element is used that does not have a temperature dependence, for example, a PIN diode, which entails serious metrological
- 1 035318 ские ограничения, а используемая электронная схема на основе ПЛИС или FPGA и сверхбыстродействующей логики значительно повышает энергопотребление, стоимость, что соответственно сужает области применения детектора. Недостатком способа является также отсутствие стабильности качества коррекции, поскольку за счет естественного процесса старения кристалла происходит изменение параметров формы импульса. К такому же эффекту приводит эксплуатация кристалла в условиях повышенной радиационной нагрузки. Кроме того, при длительной эксплуатации устройства происходит изменение параметров электронного тракта. Поэтому использование в течение длительного времени в процессе коррекции выходного сигнала детектора первоначально измеренных параметров формы импульса приводит к снижению качества самой коррекции.- 1,035318 restrictions, and the used electronic circuit based on FPGA or FPGA and ultrafast logic significantly increases power consumption, cost, which accordingly reduces the scope of the detector. The disadvantage of this method is the lack of stability of the quality of the correction, since due to the natural process of aging of the crystal, a change in the shape of the pulse occurs. The operation of the crystal under conditions of increased radiation load leads to the same effect. In addition, during prolonged use of the device, the parameters of the electronic path change. Therefore, the use of the initially measured pulse shape parameters during the correction of the detector output signal for a long time leads to a decrease in the quality of the correction itself.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются устройство обнаружения излучения на основе кремниевых фотоэлектронных умножителей и способ обнаружения излучения в окружающей среде [4].Closest to the claimed technical solution are a radiation detection device based on silicon photomultiplier tubes and a method for detecting radiation in the environment [4].
Устройство обнаружения излучения на основе кремниевого ФЭУ включает в себя ряд детекторных узлов, каждый из которых включает по меньшей мере один сцинтиллятор, обеспечивающий трансформацию излучения в световую вспышку, поступающую на соответствующий кремниевый ФЭУ в ответ на ионизирующее излучение, попадающее на сцинтиллятор. Система обнаружения излучения включает в себя логическое устройство и ряд других электронных модулей для визуализации, калибровки и других процессов. Логическое устройство выполнено с возможностью обработки сигналов кремниевого ФЭУ и реализации различных типов процедур обнаружения излучения. В предлагаемых вариантах применения кремниевого ФЭУ с различными сцинтилляторами, как объемной кристаллической формы, так и в виде плоских протяженных пластин, используется печатная плата, содержащая кремниевый ФЭУ, каскад предусилителя, микроконтроллер, датчик температуры, управляемый блок питания кремниевого ФЭУ. Поскольку сцинтиллятор может быть реализован на основе различных материалов, в зависимости от вида детектируемого излучения, то соответственно он обладает разными объемом, формой, плотностью материала и вариантом стыковки с кремниевым ФЭУ.A radiation detection device based on a silicon PMT includes a number of detector nodes, each of which includes at least one scintillator, which transforms radiation into a light flash entering the corresponding silicon PMT in response to ionizing radiation incident on the scintillator. The radiation detection system includes a logic device and a number of other electronic modules for visualization, calibration and other processes. The logic device is configured to process silicon PMT signals and implement various types of radiation detection procedures. In the proposed applications of a silicon PMT with various scintillators, both in a volumetric crystalline form and in the form of long flat plates, a printed circuit board containing a silicon PMT, a preamplifier cascade, a microcontroller, a temperature sensor, and a controlled silicon PMT power supply is used. Since the scintillator can be implemented on the basis of various materials, depending on the type of radiation detected, it accordingly has different volume, shape, material density and the option of docking with a silicon PMT.
Однако подход к стабилизации во всех рассмотренных в прототипе вариантах применения кремниевого ФЭУ одинаков - активное измерение и контроль температуры на поверхности кремниевого ФЭУ с последующей регулировкой напряжения смещения либо усиление и измерение выходного сигнала кремниевого ФЭУ с его последующей корректировкой с помощью таблицы после оцифровки.However, the stabilization approach is the same in all the applications of the silicon PMT considered in the prototype — active measurement and control of the temperature on the surface of the silicon PMT with subsequent adjustment of the bias voltage or amplification and measurement of the output signal of the silicon PMT with its subsequent correction using the table after digitization.
Недостатком указанного технического решения является то, что в предложенных системах не учитываются конструктивные особенности и протяженность собственно сцинтилляционного кристалла, хотя в разных вариантах исполнения, предложенных в прототипе, температурный градиент в этих деталях будет значителен и отличаться от измеряемой температуры на поверхности кремниевого ФЭУ, что обусловливает в конечном итоге невысокую точность измерения.The disadvantage of this technical solution is that the proposed systems do not take into account the design features and the length of the scintillation crystal itself, although in the different versions proposed in the prototype, the temperature gradient in these parts will be significant and differ from the measured temperature on the surface of the silicon PMT, which determines ultimately low measurement accuracy.
Технической задачей заявляемого изобретения являются повышение стабильности и качества коррекции выходного сигнала детектора, повышение точности стабилизации спектрометрической шкалы детектора в широком диапазоне температур, повышение мобильности устройства и расширение сферы его применения.The technical task of the invention is to increase the stability and quality of the correction of the detector output signal, increase the stabilization accuracy of the spectrometer scale of the detector in a wide temperature range, increase the mobility of the device and expand its scope.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Поставленная техническая задача решается тем, что в предлагаемом способе температурной стабилизации параметров сцинтилляционного детектора на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) при регистрации гамма-излучения, включающем измерение температуры сцинтилляционного детектора, выполненного в виде кремниевого ФЭУ и сцинтиллятора, определение калибровочного коэффициента с учетом измеренной температуры сцинтилляционного детектора и соответствующей коррекции напряжения смещения кремниевого ФЭУ для формирования выходного сигнала, соответствующего истинному значению энергии поглощенных квантов, согласно изобретения в течение всего процесса регистрации гамма-излучения получают независимые последовательности данных с двух прецизионных датчиков температуры, пространственно раздельно характеризующих температуру сцинтилляционного кристалла и кремниевого ФЭУ, на основе анализа двух массивов независимых последовательностей вырабатывают общий сигнал управления, противодействующий отклонению регулируемой величины от истинного значения, воздействуют им на объект управления в виде сцинтилляционного детектора, изменяют и корректируют его коэффициент передачи через изменение напряжения питания кремниевого ФЭУ.The stated technical problem is solved in that in the proposed method of temperature stabilization of the parameters of a scintillation detector based on a silicon photoelectron multiplier (PMT) when registering gamma radiation, which includes measuring the temperature of a scintillation detector made in the form of a silicon PMT and a scintillator, determining a calibration coefficient taking into account the measured temperature of the scintillation detector and the corresponding correction of the bias voltage of the silicon PMT to form the output signal corresponding to the true value of the energy of the absorbed quanta, according to the invention, independent sequences of data from two precision temperature sensors spatially separately characterizing the temperature of the scintillation crystal and silicon PMT , based on the analysis of two arrays of independent sequences, they generate a common control signal that counteracts the deviation a controlled variable from the true value, it affects the control object in the form of a scintillation detector, its transmission coefficient is changed and adjusted through a change in the supply voltage of the silicon PMT.
Отличительной особенностью способа является также получение независимых последовательностей данных о температуре сцинтилляционного кристалла и кремниевого ФЭУ в течение всего процесса измерения и формирование на их основе единого напряжения смещения кремниевого ФЭУ UCM(T1,T2,t) с использованием разных алгоритмов, каждый из которых соответствует своей форме кардинально различных графиков температурной зависимости.A distinctive feature of the method is also obtaining independent sequences of data on the temperature of the scintillation crystal and silicon PMT during the entire measurement process and forming on their basis a single bias voltage of the silicon PMT U CM (T1, T2, t) using different algorithms, each of which corresponds to its own form of radically different graphs of temperature dependence.
Таким образом, общий сигнал управления вырабатывают на основе анализа двух массивов данных по различным алгоритмам по форме графика температурной зависимости согласно следующей формулы:Thus, a common control signal is generated based on the analysis of two data arrays according to various algorithms in the form of a graph of the temperature dependence according to the following formula:
- 2 035318 где- 2 035318 where
U1(T1) - табличное значение напряжения управления для сцинтилляционного кристалла, зависящее от температуры T1, определяемое на этапе температурной калибровки;U1 (T1) - tabular value of the control voltage for the scintillation crystal, depending on the temperature T1, determined at the stage of temperature calibration;
U2(T2) - табличное значение напряжения управления для кремниевого ФЭУ, зависящее от температуры T2, определяемое на этапе температурной калибровки;U2 (T2) - tabular value of the control voltage for a silicon PMT, depending on the temperature T2, determined at the stage of temperature calibration;
τ1 - постоянная времени управления для сцинтилляционного кристалла, зависящая от объема кристалла и определяемая на этапе температурной калибровки;τ1 is the control time constant for the scintillation crystal, which depends on the crystal volume and is determined at the stage of temperature calibration;
τ2 - постоянная времени управления для кремниевого ФЭУ, зависящая от конструкции детектора и определяемая на этапе температурной калибровки;τ2 is the control time constant for a silicon PMT, depending on the design of the detector and determined at the stage of temperature calibration;
AU1(t) - изменение напряжения управления U1 за время At;AU1 (t) - change in control voltage U1 during the time At;
AU2(t) - изменение напряжения управления U2 за время At.AU2 (t) - change in control voltage U2 during the time At.
Поставленная техническая задача решается также тем, что предлагаемое устройство, включающее сцинтилляционный детектор, содержащий по меньшей мере один кремниевый ФЭУ и один сцинтиллятор, обеспечивающий трансформацию излучения в световую вспышку, поступающую на соответствующий кремниевый ФЭУ в ответ на ионизирующее излучение, попадающее на сцинтиллятор, каскад предусилителя, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, датчик температуры, управляемый блок питания кремниевого ФЭУ, согласно изобретению снабжено сумматором, дискриминатором и дополнительным датчиком температуры, при этом управляемый блок питания кремниевого ФЭУ выполнен в виде двух управляемых источников напряжения, выходы обоих датчиков температуры подключены к управляемым источникам напряжения, анализирующим данные от датчиков температуры и формирующим под контролем микропроцессорного устройства аналоговые сигналы, подаваемые на входы сумматора, выход которого подключен ко входу напряжения питания кремниевого ФЭУ.The stated technical problem is also solved by the fact that the proposed device, including a scintillation detector, containing at least one silicon PMT and one scintillator, which transforms the radiation into a light flash entering the corresponding silicon PMT in response to ionizing radiation incident on the scintillator, preamplifier cascade , an amplifier, an analog-to-digital converter, a microprocessor, a temperature sensor, a controlled power supply of a silicon PMT, according to the invention is equipped with an adder, discriminator and an additional temperature sensor, while the controlled power supply of a silicon PMT is made in the form of two controlled voltage sources, the outputs of both temperature sensors are connected to controlled voltage sources, analyzing data from temperature sensors and generating analog signals supplied to the inputs of the adder, the output of which is connected to the input of the silicon supply voltage, under the control of a microprocessor device Wow PMT.
Предпочтительно что в устройстве, реализующем предложенный способ, два прецизионных датчика температуры размещены у поверхностей кристалла сцинтиллятора и кремниевого ФЭУ с возможностью раздельной регистрации температуры кристаллического сцинтиллятора и кремниевого ФЭУ с максимальной достоверностью.Preferably, in the device that implements the proposed method, two precision temperature sensors are located on the surfaces of the scintillator crystal and silicon PMT with the possibility of separate recording of the temperature of the crystalline scintillator and silicon PMT with maximum reliability.
Перечень фигур графических материаловList of figures of graphic materials
Заявляемые способ и устройство поясняются графическими материалами, на которых на фиг. 1 показан график температурной зависимости для сцинтилляционного кристалла;The inventive method and device are illustrated by graphic materials, in which in FIG. 1 shows a graph of the temperature dependence for a scintillation crystal;
на фиг. 2 - график температурной зависимости для кремниевого ФЭУ;in FIG. 2 is a graph of temperature dependence for a silicon PMT;
на фиг. 3 - блок-схема предлагаемого устройства.in FIG. 3 is a block diagram of the proposed device.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Предлагаемое устройство включает в себя сцинтилляционный детектор, выполненный в виде неорганического кристаллического сцинтиллятора 1 и кремниевого ФЭУ 2, прецизионные датчики температуры 3 и 4, предусилитель 5, усилитель-формователь 6, аналого-цифровой преобразователь (далее АЦП) 7, дискриминатор 8, микропроцессор 9, два управляемых источника напряжения 10 и 11, сумматор 12, интерфейс 13.The proposed device includes a scintillation detector made in the form of an inorganic crystalline scintillator 1 and a silicon PMT 2, precision temperature sensors 3 and 4, a preamplifier 5, an amplifier-former 6, an analog-to-digital converter (hereinafter ADC) 7, a discriminator 8, a microprocessor 9 , two controlled voltage sources 10 and 11, adder 12, interface 13.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Поток измеряемого ионизирующего излучения регистрируют и преобразуют сцинтилляционным детектором (позицией не обозначен), выполненным в виде неорганического кристаллического сцинтиллятора 1 и кремниевого ФЭУ 2, и предусилителем 5 в последовательность импульсов с амплитудой, пропорциональной энергии, потерянной частицей ионизирующего излучения в неорганическом кристаллическом сцинтилляторе 1. Сформированные усилителем-формирователем 6 в оптимальную для кодирования форму импульсы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 7. Одновременно дискриминатором 8 вырабатывается сигнал запуска АЦП 7 в момент времени, соответствующий пиковому значению амплитуды измеряемого импульса. Данные с выхода АЦП 7 передаются в микропроцессор 9, где обрабатываются согласно программного алгоритма, зашитого в ПЗУ микропроцессора 9. Обработанный результат измерения передается далее пользователю посредством модуля интерфейса 13, преобразующего итоговые данные соответственно одному из протоколов последовательной передачи - RS, CAN, USB.A device that implements the proposed method works as follows. The flow of measured ionizing radiation is recorded and converted by a scintillation detector (not indicated by), made in the form of an inorganic crystalline scintillator 1 and silicon PMT 2, and by a preamplifier 5 into a pulse train with an amplitude proportional to the energy lost by the ionizing radiation particle in the inorganic crystalline scintillator 1. the amplifier-shaper 6 in the optimal form for coding, the pulses are fed to the input of the analog-to-digital converter 7. At the same time, the discriminator 8 generates an ADC start signal 7 at a time corresponding to the peak value of the amplitude of the measured pulse. Data from the output of the ADC 7 is transmitted to the microprocessor 9, where it is processed according to a software algorithm sewn into the microprocessor ROM 9. The processed measurement result is transmitted further to the user via the interface module 13, which converts the final data according to one of the serial transmission protocols - RS, CAN, USB.
Размещенные у поверхностей кристалла сцинтиллятора 1 и кремниевого ФЭУ 2 прецизионные датчики температуры 3 и 4 измеряют температуру кристаллического сцинтиллятора 1 и кремниевого ФЭУ 2 с точностью до 0,01°C и передают результаты на входы двух управляемых источников напряжения (УИН) 10 и 11 соответственно. УИН 10 и 11 формируют две алгоритмически различные составляющие опорного напряжения и напряжения смещения кремниевого ФЭУ, программно управляемые микропроцессором 9, затем результирующие аналоговые значения напряжения U1 и U2 поступают на входы сумматора 12, которым формируется итоговое напряжение смещения UCM кремниевого ФЭУ 2.Precision temperature sensors 3 and 4 located on the surfaces of the crystal of scintillator 1 and silicon PMT 2 measure the temperature of the crystalline scintillator 1 and silicon PMT 2 with an accuracy of 0.01 ° C and transmit the results to the inputs of two controlled voltage sources (UIN) 10 and 11, respectively. UIN 10 and 11 form two algorithmically different components of the reference voltage and the bias voltage of the silicon PMT, programmatically controlled by the microprocessor 9, then the resulting analog voltage values U 1 and U 2 are fed to the inputs of the adder 12, which forms the final bias voltage U CM of the silicon PMT 2.
Пример осуществления способа.An example implementation of the method.
С учетом изложенного предлагаемый способ осуществляют следующим образом.In view of the above, the proposed method is as follows.
Производят регистрацию потока измеряемого ионизирующего излучения путем приема сигналов гамма-излучения с помощью сцинтилляционного детектора на основе кремниевого ФЭУ 2. При этом квант ионизирующего излучения (гамма-квант) попадает на сцинтилляционный кристалл сцинтиллятораThe measured ionizing radiation flux is recorded by receiving gamma radiation signals using a scintillation detector based on a silicon PMT 2. In this case, the ionizing radiation quantum (gamma quantum) is incident on the scintillator scintillation crystal
- 3 035318- 3 035318
1, вызывая свечение кристалла. Образованный в результате этого взаимодействия фотон (поток фотонов) регистрируется и усиливается твердотельным кремниевым ФЭУ 2.1, causing the crystal to glow. A photon (photon flux) formed as a result of this interaction is detected and amplified by a solid-state silicon PMT 2.
Усиленный предусилителем 5 сигнал дополнительно формируют с помощью усилителяформирователя 6 в оптимальную для кодирования форму и подают на вход АЦП 7. Одновременно с помощью дискриминатора 8 вырабатывают сигнал запуска АЦП 7 в момент времени, соответствующий пиковому значению амплитуды измеряемого импульса. Данные с выхода АЦП 7 передают в микропроцессор 9, где они обрабатываются согласно программному алгоритму, зашитого в ПЗУ микропроцессора 9. Обработанный результат измерения передают далее пользователю через модуль интерфейса 13, преобразующего итоговые данные соответственно одному из протоколов последовательной передачи RS, CAN, USB.The signal amplified by the preamplifier 5 is additionally generated using the amplifier of the former 6 in the optimal form for encoding and fed to the input of the ADC 7. At the same time, the discriminator 8 generates the start signal of the ADC 7 at a time corresponding to the peak value of the amplitude of the measured pulse. The data from the output of the ADC 7 is transmitted to the microprocessor 9, where it is processed according to the software algorithm wired into the microprocessor 9 ROM. The processed measurement result is then transmitted to the user via the interface module 13, which converts the final data according to one of the serial transmission protocols RS, CAN, USB.
Во время регистрации гамма-излучения получают независимые последовательности данных с двух размещенных у поверхностей кристалла сцинтиллятора 1 и кремниевого ФЭУ 2 прецизионных датчиков 3 и 4 температуры, пространственно раздельно характеризующих температуру сцинтилляционного кристалла 1 и кремниевого ФЭУ 2. С помощью прецизионных датчиков температуры 3 и 4 измеряют температуру кристаллического сцинтиллятора 1 и кремниевого ФЭУ 2 и передают результаты на входы двух УИН 10 и 11 соответственно.During registration of gamma radiation, independent data sequences are obtained from two temperature sensors 3 and 4 located on the surface of the crystal of scintillator 1 and silicon PMT, spatially separately characterizing the temperature of scintillation crystal 1 and silicon PMT 2. Measure with precision temperature sensors 3 and 4 the temperature of the crystalline scintillator 1 and silicon PMT 2 and transmit the results to the inputs of two UINs 10 and 11, respectively.
На основе анализа двух массивов данных вырабатывают общий сигнал управления, противодействующий отклонению регистрируемой величины от истинного значения. Это осуществляют с помощью УИН 10 и 11, посредством которых формируют две алгоритмически различные составляющие напряжения смещения кремниевого ФЭУ 2, программно управляемые микропроцессором 9. Затем подают результирующие аналоговые значения напряжения U1 и U2 на входы сумматора 12, с помощью которого формируют итоговое напряжение смещения UCM кремниевого ФЭУ 2. Тем самым, общим сигналом UCM воздействуют на объект управления в виде сцинтилляционного детектора, изменяют и корректируют его коэффициент передачи через изменение напряжения смещения кремниевого ФЭУ 2.Based on the analysis of two data arrays, a common control signal is generated that counteracts the deviation of the recorded value from the true value. This is carried out using the UIN 10 and 11, through which form two algorithmically different components of the bias voltage of the silicon PMT 2, programmatically controlled by the microprocessor 9. Then, the resulting analog voltage values U 1 and U 2 are fed to the inputs of the adder 12, with which the resulting bias voltage is generated U CM silicon PMT 2. Thus, a common signal U CM act on the control object in the form of a scintillation detector, change and adjust its transmission coefficient through a change in the bias voltage of the silicon PMT 2.
Предложенный способ и устройство позволяют осуществлять активное измерение и контроль температуры на поверхности сцинтиллятора и кремниевого ФЭУ с последующей регулировкой напряжения смещения;The proposed method and device allows for active measurement and control of the temperature on the surface of the scintillator and silicon PMT, followed by adjustment of the bias voltage;
применить любой алгоритм обработки спектров с высокой точностью (выше, чем в случае с применением температурных коэффициентов для корректировки уже предварительно сформированного спектра);apply any algorithm for processing spectra with high accuracy (higher than in the case with the use of temperature coefficients to correct an already pre-formed spectrum);
расширить диапазон регистрируемых энергий гамма-квантов и возможность регистрации низкоэнергетических гамма-квантов;expand the range of recorded energies of gamma rays and the ability to register low-energy gamma rays;
расширить возможность создания приборов нового типа для детектирования вспышек света слабой интенсивности (на уровне одиночных фотонов) и с малой длительностью (порядка наносекунд) в сочетании с низким эксплуатационным напряжением при работе в широкой области изменения температур окружающей среды, в частности при работе в полевых условиях.expand the possibility of creating a new type of device for detecting light bursts of low intensity (at the level of single photons) and with a short duration (of the order of nanoseconds) in combination with a low operating voltage when working in a wide range of ambient temperature changes, in particular when working in field conditions.
Дополнительными преимуществами предлагаемого изобретения является то, что работа устройства не зависит от внешнего электромагнитного излучения даже без применения специальных мер по экранизации или другой защите.Additional advantages of the present invention is that the operation of the device does not depend on external electromagnetic radiation even without the use of special measures for screening or other protection.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно уменьшить габариты и массу прибора по сравнению с другими спектральными детекторами.The present invention can significantly reduce the dimensions and weight of the device compared to other spectral detectors.
Предлагаемое изобретение позволяет снизить потребляемую мощность прибора в сравнении с другими спектральными детекторами.The present invention allows to reduce the power consumption of the device in comparison with other spectral detectors.
Прибор прошел предварительные испытания и намечен к изготовлению на предприятии заявителя. Источники информации.The device has passed preliminary tests and is scheduled for manufacture at the applicant’s enterprise. Sources of information.
1. Патент США US 9123611 B1, МПК G01J 1/44, публ. 01.09.2015 г.1. US patent US 9123611 B1, IPC G01J 1/44, publ. September 1, 2015
2. Патент RU 2418306, МПК G01T 1/40, публ. 10 мая 2011 г.2. Patent RU 2418306, IPC G01T 1/40, publ. May 10, 2011
3. Заявка WO 2015047935 А1, МПК G01T 1/20, публ. 2 апреля 2015 г.3. Application WO 2015047935 A1, IPC G01T 1/20, publ. April 2, 2015
4. Заявка WO 2015081134 А2, МПК G01T 1/208, публ. 4 июня 2015 г.4. Application WO 2015081134 A2, IPC G01T 1/208, publ. June 4, 2015
Claims (4)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20160021 | 2016-01-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201650024A1 EA201650024A1 (en) | 2017-10-31 |
| EA035318B1 true EA035318B1 (en) | 2020-05-27 |
Family
ID=60158052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201650024A EA035318B1 (en) | 2016-01-26 | 2016-09-12 | Method for temperature stabilization of parameters of a scintillation detector based on a silicon photoelectron multiplier to record gamma radiation, and device for implementing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA035318B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158938C2 (en) * | 1998-05-19 | 2000-11-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Аспект" | Multipurpose portable radiometer-spectrometer |
| US7081626B2 (en) * | 2004-06-02 | 2006-07-25 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method for temperature correction and expanded count rate of inorganic scintillation detectors |
| RU2365943C1 (en) * | 2008-02-14 | 2009-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Way of determination of scintillation detector parametres |
| US7642516B2 (en) * | 2004-05-14 | 2010-01-05 | Icx Technologies Gmbh | Method for stabilizing the temperature dependency of light emission of an LED |
-
2016
- 2016-09-12 EA EA201650024A patent/EA035318B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158938C2 (en) * | 1998-05-19 | 2000-11-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Аспект" | Multipurpose portable radiometer-spectrometer |
| US7642516B2 (en) * | 2004-05-14 | 2010-01-05 | Icx Technologies Gmbh | Method for stabilizing the temperature dependency of light emission of an LED |
| US7081626B2 (en) * | 2004-06-02 | 2006-07-25 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method for temperature correction and expanded count rate of inorganic scintillation detectors |
| RU2365943C1 (en) * | 2008-02-14 | 2009-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Way of determination of scintillation detector parametres |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201650024A1 (en) | 2017-10-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Degenhardt et al. | The digital silicon photomultiplier—a novel sensor for the detection of scintillation light | |
| US7081626B2 (en) | Apparatus and method for temperature correction and expanded count rate of inorganic scintillation detectors | |
| JP6978125B2 (en) | Gain correction device and method for scintillation detector | |
| US7339173B2 (en) | Method for stabilizing the temperature dependency of light emission of an LED | |
| WO2017016469A1 (en) | Photon measurement front-end circuit | |
| US7592587B2 (en) | Stabilization of a scintillation detector | |
| Grodzicka-Kobylka et al. | Comparison of SensL and Hamamatsu 4× 4 channel SiPM arrays in gamma spectrometry with scintillators | |
| Cozzi et al. | High-resolution gamma-ray spectroscopy with a SiPM-based detection module for 1” and 2” LaBr 3: Ce readout | |
| EP3278143B1 (en) | Detector and method of operation | |
| Grodzicka et al. | Performance of FBK high-density SiPMs in scintillation spectrometry | |
| Sarasola et al. | A comparative study of the time performance between NINO and FlexToT ASICs | |
| CN112684491B (en) | Gamma spectrometer digital automatic spectrum stabilizing method based on temperature change | |
| Efthimiou et al. | Initial results on SiPMs performance for use in medical imaging | |
| Saucke et al. | Stabilizing scintillation detector systems with pulsed LEDs: A method to derive the LED temperature from pulse height spectra | |
| Yang et al. | Evaluation of two SiPM arrays for depth-encoding PET detectors based on dual-ended readout | |
| Becker et al. | Small prototype gamma spectrometer using CsI (Tl) scintillator coupled to a solid-state photomultiplier | |
| KR101524453B1 (en) | A Scintillation Detector with Temperature Compensation Funtion and Control Method thereof | |
| Dolinsky et al. | Timing resolution performance comparison of different SiPM devices | |
| Wang et al. | Calibration of a PEM detector with depth of interaction measurement | |
| EA035318B1 (en) | Method for temperature stabilization of parameters of a scintillation detector based on a silicon photoelectron multiplier to record gamma radiation, and device for implementing the same | |
| Pooth et al. | Scintillator tiles read out with silicon photomultipliers | |
| RU2445648C2 (en) | Method of stabilising and correcting transfer constant of scintillation detector and apparatus for realising said method | |
| Niu et al. | Evaluation of multi-pixel photon counters in energy determination for PET imaging | |
| Cozzi et al. | Development of a SiPM-based detection module for prompt gamma imaging in proton therapy | |
| Wei et al. | Reducing NaI (Tl) detector spectrum shift by optimizing pulse integration time |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU |