А.А. Гримов, Д.И.Логвинов

Юго-западный государственный университет

Измерительный блок для нейтронного спектрометра реального времени

Ранее [1] коллективом авторов была предложена концепция построения спектрометра нейтронного излучения реального времени на основе использования одновременно нескольких нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками, совместно перекрывающими весь энергетический диапазон измеряемого излучения, с последующей обработкой получаемой от них информации с помощью предварительно обученной нейронной сети с целью вычислительного восстановления энергетического спектра измеряемого излучения. При этом ввиду практической неосуществимости экспериментального создания обучающей выборки опорных нейтронных полей с точно известными спектрами разнообразной формы, необходимой для обучения нейронной сети, в описываемой концепции эта проблема решается путём создания системы имитационного моделирования, позволяющей на основе реальных базовых спектров сгенерировать любое желаемое число реализаций, отличающихся друг от друга по форме спектра. В [2] было проведено обучение нейронной сети для определения усреднённых по децимальным интервалам энергии спектральных плотностей нейтронных потоков с разнообразными формами спектров по показаниям серийно выпускающегося трёхканального блока детектирования БДКС-05С. Результаты моделирования оказались вполне приемлемыми по достигаемой величине методических погрешностей. Среднеквадратические погрешности для радиоизотопных источников и критических сборок находятся в пределах трёх процентов, для потоков нейтронов в активных зонах реакторов и за зоной биологической защиты – в пределах 5 %, и лишь для потоков утечек из защиты ядерных реакторов различных типов достигают 8 % на отдельных децимальных интервалах энергии. Такие результаты позволяют, не дожидаясь разработки нового многоканального блока детектирования, провести разработку нейтронного спектрометра на основе трёхканального блока детектирования БДКС-05С с обработкой получаемой от каналов детектирования информации на обученной нейронной сети. При этом наиболее рациональным и экономически оправданным решением является построение спектрометра на базе ПК «notebook». На ПК наиболее удобно эмулировать нейронную сеть, поэтому вычислительное восстановление спектра следует проводить именно на нём. На нём легко дополнительно провести восстановление непрерывной формы спектра по найденным усреднённым спектральным плотностям в децимальных интервалах энергии и отобразить её на дисплее в графическом виде, что весьма сложно выполнить на встраиваемой микропроцессорной системе. Для экспериментального образца прибора такое решение подходит идеально, т.к. обеспечивает максимальную гибкость системы, экономичность и простоту реализации. С учётом этих соображений общая структурно-функциональная схема измерительного блока имеет вид, показанный на рисунке 1. При этом и для спектрометра с новым многоканальным блоком детектирования общая структура измерительного блока остаётся такой же, увеличивается лишь число измерительных каналов (в соответствии с используемым в блоке детектирования числом детекторов).

Рисунок 1 - Схема структурно-функциональная унифицированного измерительного блока для радиометрических приборов

Унифицированный измерительный блок представляет собой одноплатное устройство. Блок схемотехнически избыточен, т.к. рассчитан на применение в составе ряда приборов отличающихся областью применения, видами контролируемых излучений, типами и количеством детекторов, алгоритмами обработки результатов измерения, интерфейсом оператора. Адаптация блока к конкретному применению осуществляется с помощью:

- SMD-перемычек, установленных на плате;

- изменением ключевых параметров, за счёт исключения или изменения номиналов компонент, определяющих основные параметры блока;

- модификацией программного обеспечения.

Измерительный блок состоит из 8-и каналов усилителей-формирователей, 8-и предварительных делителей частоты, построенных на двоичных счётчиках, 8–разрядного микроконтроллера, БИС энергонезависимой памяти, устройства индикации и клавиатуры (подключаются при необходимости), узла гальванической развязки интерфейса RS232 на оптронах.

Для применения в составе спектрометрического радиометра-дозиметра нейтронного излучения с использованием блока детектирования БДКС-05С усилители-формирователи не используются, а перемычки устанавливаются так, что сигналы поступают непосредственно на вход предварительных делителей частоты. Используется лишь 6 каналов счётчиков импульсов, перемычки на плате устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить коэффициент деления 2.

Основные функции измерительного блока в данном случае следующие:

- автоматическая диагностика целостности программной и энергонезависимой памяти данных;

- автоопределение подключения клавиатуры и дисплея;

- автоопределение подключения к персональному компьютеру (целостности канала приёма данных);

- идентификация подключенного блока детектирования по его двухбитовому коду;

- тестирование блока детектирования;

- подсчёт числа импульсов в каждом канале за секундный интервал;

- попарное посекундное суммирование содержимого счётчиков сигналов детекторов BD1-BD2 и BD3-BD4;

- поддержка интерфейса с персональным компьютером при активности интерфейса и передача посекундных отсчётов каждого программно сформированного канала счёта импульсов;

- поддержка функций настройки и диагностики через подключаемые клавиатуру и дисплей.

Программное обеспечение, предназначенное для установки на notebook обеспечивает решение следующих задач:

- приём секундных отсчётов по всем каналам измерения по интерфейсу RS-232 в соответствии с выбранным протоколом;

- расчёт интенсивности импульсных последовательностей по алгоритму скользящего среднего;

- расчёт и нормирование интенсивности потоков частиц по каждому каналу;

- поддержка функций калибровки каналов в виде ручного ввода и сохранения в энергонезависимой памяти калибровочных констант;

- расчёт спектра и интегральной плотности излучения по нейросетевой модели;

- восстановление непрерывной формы спектра по найденным усреднённым спектральным плотностям в децимальных интервалах энергии.

Программное обеспечение разработано в пакете Matlab и представляет собой исполняемый в среде Windows exe файл. Для работы ПО необходимы установленные компоненты MATLAB Compiler Runtime и Microsoft .NET Framework 3.0. Приложение имеет главное окно (рисунок 2), где отображаются значения интегральной плотности потока, значения секундных отсчётов по всем каналам измерения, спектр нейтронного потока, а также вспомогательные окна:

- окно настройки передачи данных по RS-232 (рисунок 3);

- окно настройки чувствительностей используемых детекторов;

- окно настройки чувствительностей детекторов и обучения нейронной сети.

Рисунок 2 – Главное окно программы

Рисунок 3 – Окно настройки передачи данных по RS-232

В главном окне также можно осуществить выбор вида прорисовки спектра. ПО осуществляет автоматическую непрерывную запись поступающих по интерфейсу RS-232 секундных отсчётов по трём каналам с указанием текущей даты с точностью 0,01с.

Унифицированный измерительный блок опробовался в составе спектрометрического комплекса, включающего в себя ноутбук с установленным с описанным выше ПО и показал соответствие предъявляемым требованиям.

Узел гальванической развязки при применении оптопар 4N33 обеспечивает беспроблемную работу на скорости 9600 и даже 19200 бод, что полностью удовлетворяет требованиям на скорость передачи данных. Применение гальванически развязанного канала даёт возможность использовать при отладке дешёвый USB-COM адаптер без опторазвязки. При использовании выбранной элементной базы обеспечивается подсчёт импульсов длительностью до 800 нс, что достаточно для работы с относительно низкоскоростными детекторами (газоразрядные счётчики) блоков детектирования. Максимально допустимая интенсивность потока превышает 1000000 имп/с, что с запасом покрывает ранее выбранную [2] максимальную интенсивность потока излучения n₀ = 10000 имп/с. Для обеспечения работы блока детектирования со сцинтилляционными детекторами предусмотрена замена входных усилителей на ОУ с более высокой частотой единичного усиления. Применяемое для микроконтроллера измерительного блока ПО обеспечивало погрешность подсчёта импульсов на уровне ±1имп. при частоте более 25000 имп/с.

Литература:

1. Патент РФ № 2390800 с приоритетом от 16.04.2008: способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов, опубл. 27.05.2010. Дрейзин В.Э., Овсянников Ю.А., Поляков В.Г., Катыхин А.И., Полищук И.В.

2. Отчёт о научно-исследовательской работе по теме 2009-1.1-226-012 «Создание нового поколения спектрометрических приборов измерения ионизирующих излучений и дозиметрического контроля и систем жизнеобеспечения спецобъектов с ядерными реакторами на их основе» (промежуточный по 3-му этапу), ЮЗГУ, Курск, 2010. 232 с.