Диссертация (1143140), страница 44
Текст из файла (страница 44)
На графике также отмечен уровень(пунктирнаягоризонтальнаялиния)десятикратногопревышенияпороговоготока,определяемого шумами интегратора при времени интегрирования 1 мс на емкостиинтегратора 1 пФ.Рис. 6-22. Зависимости выходных напряжений интеграторов нижнего и верхнегоканалов от анодного напряжения трубки с молибденовым анодом, сцинтилляторами ZnSe(0,1 мм) и CsI (1 мм) для пустой породы 20 мм, с включением алмаза 4 мм и с включениемвоздушного пузыря 4 мм.223Вследствиеособенностейпоглощенияэлектромагнитныхволнрентгеновскогодиапазона в алмазе и кимберлите возникает разница относительных амплитуд отклика алмазана нижнем и верхнем сцинтилляторах двуслойной структуры детектора.
Из графиков видно,что отклик от алмаза в породе на нижнем детекторе на основе сцинтиллятора CsI (1 мм)практически равен нулю (голубая и синяя линии сливаются), в то время как на верхнемсцинтилляторе отклик от алмаза представляет значительную величину (50 ÷ 70% от пустойпороды), реально измеряемую верхним детектором. Данный факт может быть использован дляразличения алмазов и воздушных пузырей в руде: если в верхнем детекторе есть отклик, а нанижнем детекторе его нет – значит это алмаз.
Если есть отклик и на верхнем, и на нижнемдетекторе – значит это воздушный пузырь.Все приведенные зависимости были рассчитаны в вычислительном блоке УРОИ,выполненном в программной среде LabVIEW. Проводить расчеты с большим количествомэлементов периодической системы Менделеева, минералов геологических пород исцинтилляторов в созданной автором диссертации программе позволяет удобный интерфейс,представленный на рис. 6-23.Рис. 6.23. - Интерфейс вычислительного блока УРОИ.Интерфейс позволяет простым нажатием кнопки на лицевой панели выбирать тип,материал анода и параметры рентгеновской трубки, последовательность прохожденияэлектромагнитных волн рентгеновского диапазона через различные среды (минералы,фильтры, породы, сцинтилляторы). Прохождение электромагнитных волн рентгеновскогодиапазона рассчитывается на основе предложенных в диссертации аппроксимаций массовых224коэффициентов ослабления суммой двух степенных функций, обеспечивающих наименьшуюпогрешность по сравнению с существующими методами аппроксимаций.6.5Система управления, регистрации и обработки информации (УРОИ)радиотехнического ППУ рентгено-абсорбционного сепаратораДля проведения экспериментальных исследований создан экспериментальный образецрентгено-абсорбционного сепаратора, в состав которого входят: ППУ, включающийпозиционно-чувствительный сцинтилляционный детектор, фотоинтегратор и блок УРОИ;рентгеновская трубка с блоком управления и системой охлаждения анода проточной водой;вибропитатель для подачи руды; устройство подачи иммерсионной среды и отделяющееустройство (шибер), позволяющее отделить минерал (алмаз) из общего потока руды.Функциональная схема ППУ рентгено-абсорбционного сепаратора представлена наАЦПLTC 1864SCKSDOConvNIOS IISPIЗагрузка в ПЛИС параметров:времени интегрирования,ёмкости интегрирования,усреднения отсчетов.CLKRESETTrigEOSVideoАЦПLTC 1864CLKRESETTrigEOSПКLabVIEWВитая параTCP/IPSCKSDOConvSPIМультиплексорканаловVideoУправляющиекоманды наисполнительныеустройстваS8865-128GS8865-128GСхема выборки-храненияСдвиговый регистрСхема выборки-храненияСдвиговый регистрФотодиоды подсцинтилляторомФотодиоды подсцинтилляторомМатрица интеграторов Матрица интегратороврис.
6-24.ПЛИСEP2S60F672C5ESВизуализация измерений,обработка результатовВибропитатель подачи рудыКлапан 1Клапан 2Отделяющее устройствоУРОИРис. 6-24. Функциональная схема ППУ рентгено-абсорбционного сепаратораВ измерительном блоке ППУ используются два позиционно-чувствительных датчикарентгеновского излучения S8865-128G производства компании Hamamatsu [181]. Каждыйдатчик состоит из 2-х линеек по 128 фотодиодов, покрытых слоем сцинтиллятораоксисульфида гадолиния, легированного тербием (Gd2O2S:Tb). Два датчика используются дляувеличения ширины конвейера.
Сцинтиллятор преобразует рентгеновское излучение ввидимый свет, который регистрируется фотодиодами. Рабочая область длин волнфотодиодной матрицы лежит в диапазоне видимого света. Цвет свечения сцинтиллятора –зеленый (550 нм). Толщина слоя сцинтиллятора составляет 300 мкм. Размеры одной225чувствительной площадки - 0,3×0,6 мм. Схема обработки выполнена по КМОП технологии исодержит генератор управляющих импульсов, сдвиговый регистр, зарядочувствительныйусилитель и схему выборки-хранения. Фотозаряды каждого фотодиода усиливаются своимоперационным усилителем интегрирующего типа и последовательно передаются сдвиговымрегистром на выход.
Величина ёмкости в цепи обратной связи интегратора – 1пф,фоточувствительность составляет 1500 В/лк·с. Максимальная тактовая частота сдвиговогорегистра – 4 МГц, частота следования видеоимпульсов на выходе равна 1/4 тактовой частотысдвигового регистра. На рис. 6-25 приведены функциональная схема и временная диаграммасигналов фотодиодной линейки датчика.а)б)Рис. 6-25. а) Функциональная схема и б) временная диаграмма сигналовфотодиодной линейки рентгеновского датчикаДля функционирования датчика необходимо сформировать тактовый сигнал CLK исигнал сброса RESET, на выходе устройство формирует видеоимпульсы Video, тактовыйсигнал Trig и сигнал окончания сканирования EOS (End Of Scan). Положительный полупериодсигнала RESET задает время интегрирования (при этом интегрирование задержано на 8периодов сигнала CLK, как показано на рис. 6-25 б).
Во время интегрирования из сдвиговогорегистра выгружается результат предыдущего измерения. Амплитуды видеоимпульсовпропорциональны засветке фотодиодов, считывание производится по фронту сигнала Trig.Преобразование аналоговых уровней видеоимпульсов в цифровую форму производится 16-тиразрядным АЦП LTC1864 фирмы Linear Technology.
Выходные отсчеты АЦП считываются попоследовательному протоколу SPI (Serial Peripheral Interface).Время интегрирования фототока задается блоком управления, регистрации и обработкиинформации (УРОИ), реализованном на ПЛИС Altera EP2S60F672C5ES семейства Stratix II.Блоки программы, обеспечивающие работу рентгеновских датчиков и АЦП, реализованы наязыке Verilog и объединены в графическом редакторе среды программирования Quartus II.
Дляпередачи данных на удаленный компьютерный блок по протоколу TCP/IP использованопроцессорное ядро Nios II, создаваемое в ПЛИС. Последовательность отсчетов фототокапередается по Ethernet сети на персональный компьютер, на котором используетсяпрограммная среда LabVIEW. С экрана монитора программы LabVIEW устанавливаются226время интегрирования фотоинтераторов, количество используемых фотодиодов, множительусреднения отсчетов. Применение Ethernet технологии позволяет дистанционно проводитьизмерения рентгеновского излучения и устанавливать требуемые технические параметры.Визуализацияизмеряемойинтенсивностипроникающегорентгеновскогоизлученияосуществляется на экране монитора в режиме реального времени (рис.
6-26).Рис. 6-26. Отклик алмаза 4 мм в куске кимберлита 13 мм, регистрируемый ППУ сепаратора.На экспериментальной установке рентгено-абсорбционного сепаратора полученыэкспериментальные значения, отмеченные экспериментальными точками на расчетныхзависимостях, приведенных в предыдущих разделах.6.6 Выводы по Главе 61.
В отличие от фотоприемных устройств ППУ измерительного типа (например, ППУ оптикоэлектронной системы газоанализатора на основе эффекта МоЯК) находят применениеППУ, назначением которых является обнаружение превышения уровня сигнала надсредним значением. Для таких ФПУ требования по искажениям сигнала являютсявторостепенными, а на первый план выходят требования по чувствительности ибыстродействию. Примером ППУ данного типа может служить разработанное ППУрентгено-абсорбционного сепаратора с пониженным значением времени интегрированияпри сохранении высокой чувствительности сепаратора. Расчет чувствительностиинтеграторов для таких ППУ необходимо проводить на основе полных выражений,полученных в диссертации, основанных на полной модели интегратора фототока.2.
Предложенная аппроксимация массовых коэффициентов ослабления электромагнитногоизлучения рентгеновского диапазона суммой двух степенных функций обеспечиваетотносительную погрешность 1 % в диапазоне 1 ÷ 150 кэВ. Разработанная, на основепредложенной в диссертации аппроксимации, программа расчета проникающегоэлектромагнитного излучения рентгеновского диапазона в среде LabVIEW позволяет227рассчитывать спектры излучения рентгеновских трубок с различными материалами итипами анодов при различных напряжениях и токах трубок, а также спектрырентгеновского излучения после прохождения геологических пород (в том числеалмазосодержащих), фильтров и сцинтилляторов из различных материалов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
