Диссертация (1143140), страница 42

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 42)

6-12 Относительные амплитуды откликов алмаза 4мм и пузыря воздуха 4мм оттолщины породы при различных анодных напряжениях рентгеновской трубки.Отношение интенсивностей в сечении воздушного пузыря в 1,4 ÷ 1,5 раз (для Ua = 50 кВ)превышает отношение интенсивностей в сечении алмаза. Поэтому воздушные пузыри,попавшие в иммерсионную среду, приводят к ложному срабатыванию блока УРОИ наотделение данной порции руды, как будто бы в ней содержится алмаз. Для преодоленияданной проблемы может быть использован двуэнергетический метод, также представленныйв диссертации.

При энергиях фотонов рентгеновского излучения 60 ÷ 80 кВ алмаз практическинеразличим в кимберлите, вместе с тем отклик воздушного пузыря по-прежнему значителен.Именно этот факт лежит в основедвуэнергетического метода, позволяющего отличитьвоздушный пузырь от алмаза.На рис. 6-13 представлена зависимость отношения интегральной интенсивности всечении алмаза 4 мм к интегральной интенсивности в сечении пустой породы от анодногонапряжения при различных толщинах породы.212Рис. 6-13. Зависимости отношения интегральной интенсивности поглощенного всцинтилляторе Gd2O2S(Tb) рентгеновского излучения в сечении алмаза 4мм к интегральнойинтенсивности в сечении пустой породы от анодного напряжения при различных толщинахпороды.Отношение интенсивностей в сечении алмаза к интенсивности в сечении пустой породыуменьшается с ростом анодного напряжения для всех толщин породы.6.3 Расчет выходного напряжения сцинтилляционного детектораПреобразование энергии Eγ ионизирующего излучения в выходной сигнал системысцинтиллятор-фотодиод (СЦ-ФД) проходит поэтапно в результате следующих процессов[171,172]:1) поглощение первичного излучения в сцинтилляторе; доля поглощенного излученияa  1  e d , где μ - линейный коэффициент поглощения; d - толщина СЦ;2) преобразование поглощенной энергии в световую вспышку hνNc = ηсцEγ, где Nc - общеечисло сцинтилляционных фотонов; ηсц - конверсионная эффективность или физическийсветовой выход сцинтиллятора;3) собирание квантов света на ФД, эффективность которого определяется коэффициентомсветособирания Kc = Nф/Nc, где Nф - число квантов света, попавших на ФД;4) преобразование поглощенной ФД световой энергии в энергию носителей заряда,определяемое квантовой эффективностью ФД и коэффициентом спектрального согласованияКИ спектров люминесценции СЦ и спектральной чувствительности ФД;5) разделение в p-n переходе и накопление носителей заряда на электродах ФД,определяемое эффективностью собирания носителей заряда ηe.Значения основных параметров сцинтилляторов приводятся в [173,174].

Для наиболееприменяемых на практике сцинтилляторов коэффициенты и параметры приведены в Таблице2136-5. Эти данные используются в УРОИ для расчета заряда, накапливаемого в фотодиоде поддействием рентгеновского кванта.Таблица 6-5. Параметры сцинтилляторовСцинтилляторПараметрCsI (Tl)ZnSe (Te)Bi4Ge3O12CdWO4CdS (Te)Gd2O2S(Tb)KИ0,30,490,260,270,550,24Кс0,480,310,460,450,310,43ηсц0,150,1940,01450,0350,04850,028hν, эВ2,21,952,452,531,692,38Коэффициенты ηф и ηе относятся к параметрам фотодиода и могут быть принятыηф = 0.9 и ηе = 0.8.

Важным параметром сцинтиллятора является также время высвечивания,определяемое как время, за которое амплитуда сцинтилляционной вспышки уменьшается в ераз. Времена высвечивания сцинтилляторов составляют единицы микросекунд, что являетсяприемлемым значением для времен интегрирования долей миллисекунд, определяемыхскоростью движения конвейера с рудой.В итоге заряд Q1, приходящийся на один рентгеновский фотон с энергией Eγ, на выходефотоинтегратора составляет [173]:Q1 eEhсцфе K И Kс[Кл],а радиационная чувствительность C QE(6.3)[Кл/эВ].Тормозное излучение рентгеновской трубки можно охарактеризовать спектральнойплотностью потока излучения, определяемой числом фотонов, приходящихся на единицуэнергии, испускаемых за одну секунду в один стерадиан.

Спектральная плотность IТ(E)[фот/(с·ср·кэВ)], то есть зависимость интенсивности излучения от энергии квантов,Eрассчитывается по формуле Крамерса [166]: IT  E   kZI a  0  1 , где k – константа, равнаяE8.8·108; Z – атомный номер материала мишени рентгеновской трубки; Ia – анодный ток трубки;Е – энергия ускоренных электронов (E0 [кэВ = Ua [кВ]).Телесный угол, под которым видна площадка фотодиода (размер 0.3×0.6мм –соответствует эксперименту) из фокуса рентгеновской трубки на расстоянии R = 10 см26составляет   Sd R  18 10 рад. Телесный угол рассчитан в приближении точечногоисточникарентгеновскогоизлучателяиоднородностипотокавпределахфоточувствительной площадки фотодиода. С учетом телесного угла число фотонов,214приходящихся на единицу энергии, испускаемых за одну секунду IT _   E   IT  E  [фот/(с·кэВ)].Заряд, накапливаемый фотодиодом за время интегрирования Tint в приближенииидеального интегратора, определяется выражением:aT eQ  intсцфe K И K c   E dEh0U[Кл](6.4)Выходное напряжение интегратора рассчитывается в блоке УРОИ согласно выражению(3.53).

В том случае, если возможно применить приближение идеального интегратора,выходное напряжение определяется простым выражением U out Q, причем заряд QCintнакоплен в фотодиоде за время интегрирования. ТогдаaT  e int сцфe K И Kc   E dECint h0UU out[В](6.5)Расчет выходного напряжения фотоинтегратора ППУ производится в блоке УРОИ,результаты расчетов представлены на рис.

6-14 ÷ 6-16. На рис. 6-13 представлена зависимостьвыходного напряжения интегратора от анодного напряжения рентгеновской трубки прирегистрации рентгеновского излучения различными сцинтилляторами. В расчетах принятызначения:времяинтегрирования1 мс,емкостьфотоинтегратора1 пф,толщинасцинтилляторов 0,3 мм, толщина серпентина 20 мм, ток анода рентгеновской трубки 5 мА.Рис. 6-14. Зависимость выходного напряжения интегратора от анодного напряжениярентгеновской трубки при регистрации рентгеновского излучения различнымисцинтилляторами. Время интегрирования 1 мс, емкость фотоинтегратора 1 пф, толщинасцинтилляторов 0,3 мм, толщина серпентина 20 мм, ток анода рентгеновской трубки 5 мА.НижнийуровеньдинамическогодиапазонаППУопределяетсяшумамифотоинтегратора.

Расчет порогового шумового тока, как указывалось выше, производится вблоке УРОИ по выражениям (3.57). Для применённого в экспериментальном образце215рентгено-абсорбционного сепаратора ППУ с параметрами Ri = 10 ГОм, Rd = 10 ГОм,Cd = 1 пФ,Roa = 10 ГОм,Su2 oa  30 нВCоа = 2 пФ,ω1 = 2 МГц,Si2oa  0,8 фАГц ,Гц , СИ = 1 пФ значение порогового тока составляет I0 = 0,1 пА привремени интегрирования 1 мс. Выходное напряжение, соответствующее данному току,составляетU вых I 0  Tint 0,1 мВ. Для достоверной регистрации алмаза необходимоСИотношение сигнал/шум = 6.

С учетом неоднородности состава руды и иммерсионной средыследует увеличить коэффициент запаса до 10. Таким образом, при времени интегрирования1 мс пороговое значение выходного напряжения составляет 1 мВ. Этот уровень отмечен нарис. 6-13 пунктирной горизонтальной линией. Пересечение уровня десятикратногопревышенияпороговоготока,определяемогошумамиинтеграторапривремениинтегрирования 1 мс, с графиками выходного напряжения фотоинтеграторов с различнымисцинтилляторами определяет минимальное рабочее анодное напряжение рентгеновскойтрубки (при анодном токе 5 мА) для обнаружения алмаза в куске кимберлита. В Таблице 6-6приведены значения минимального анодного напряжения трубки (при анодном токе 5 мА),при котором выходное напряжение интегратора на основе СЦ-ФД равно выходномунапряжению, определяемому десятикратным значением порогового шумового тока.Таблица 6-6.

Минимальные анодные напряжения.СцинтилляторZnSe (Te)Ua минимальное,кВ41CsI (Tl) CdS (Te)43,146,75CdWO457,1Gd2O2S(Tb) Bi4Ge3O1262,971,5Наилучшим сцинтиллятором для обнаружения минералов в руде (в частности, алмазов вкимберлите) является селенид цинка ZnSe. В [175] исследованы основные свойства данногосцинтиллятора и указана перспективность его применения в рентгеновской интроскопии.Схожими характеристиками обладает сцинтиллятор иодид цезия CsI [176], однако он обладаетнедостатком – гигроскопичностью, что ограничивает его применение.

ZnSe и CsI относят книзкоэнергетическим сцинтилляторам, способным эффективно регистрировать излучение сотносительно низкой энергией фотонов, а сцинтилляторы вольфрамат кадмия CdWO4,оксисульфид гадолиния Gd2O2S и германат висмута Bi4Ge3O12 – к высокоэнергетическимсцинтилляторам.На рис. 6-15 представлены зависимости выходного напряжения интегратора от анодногонапряжения рентгеновской трубки для пустой породы 20 мм (черная линия), породы в сеченииалмаза 4 мм (красная линия) и породы в сечении воздушного пузыря 4 мм (зеленая линия).

В216расчетах приняты значения: время интегрирования 1 мс, емкость фотоинтегратора 1 пф,толщина сцинтиллятора ZnSe 0,3 мм, ток анода рентгеновской трубки 5 мА.Рис. 6-15. Зависимость выходного напряжения интегратора от анодного напряжениярентгеновской трубки для пустой породы 20 мм, породы в сечении алмаза 4 мм и породы всечении пузыря 4 мм. Время интегрирования 1 мс, емкость фотоинтегратора 1 пф, толщинасцинтиллятора ZnSe 0,3 мм, ток анода рентгеновской трубки 5 мА.Выходное напряжение интегратора в сечении воздушного пузыря превышает выходноенапряжение в сечении алмаза в 1,33 ÷ 1,5 раза. При этом выходное напряжение в сеченииалмаза превышает выходное напряжение в сечении пустой породы в 1,2 раза (при Ua = 60 кВ),что достаточно для обнаружения алмаза.

На графике также отмечен уровень (пунктирнаягоризонтальная линия) десятикратного превышения порогового тока, определяемого шумамиинтегратора при времени интегрирования 1 мс.Экспериментальное подтверждение полученных зависимостей проведено на ППУэкспериментального образца рентгено-абсорбционного сепаратора, подробно описанного вГлаве 7 диссертации. В состав ППУ входит позиционно-чувствительный сцинтилляционныйдетектор на основе оксисульфида гадолиния Gd2O2S(Tb) толщиной 0,3 мм, фотоинтеграторыи блок УРОИ. Сцинтиллятор оксисульфида гадолиния Gd2O2S(Tb) находит широкоеприменение в современной интроскопии, его параметры исследованы, например, в [177,178].Параметры фотоинтегратора приведены в разделе 6.1, там же получены значения поровогошумового тока фотоинтегратора.

Характеристики

Список файлов диссертации