Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипа высокочувствительного полевого гамма-спектрометра на базе твердотельных кремниевых ФЭУ

Номер контракта: 14.578.21.0121

Руководитель: Коротаев Валерий Викторович

Должность руководителя: заведующий кафедрой

Докладчик: Добротворский Алексей Сергеевич, Руководитель проектов

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
полевой гамма-спектрометр, кремниевый фэу, геологоразведка, геофизические приборы, полевые приборы, вакуумный фотоумножитель, детектирование гамма-излучения, измерительное оборудование, сцинтилляторы, фотоумножители

Цель проекта:
Принципиальная конструкция гамма-спектрометров, основанная на применении вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не претерпела за последние 50 лет изменений и сохранила все недостатки свойственные данному типу ФЭУ: - большие габариты и масса (вес датчика порядка 3 кг); - высокая зависимость точности измерений от внешних магнитных полей; - высоковольтное питание и как следствие низкие показатели автономности; - низкая ударопрочность, что важно при полевых исследованиях; - высокая стоимость ФЭУ вместе с блоком высоковольтного питания. Как следствие, гамма-спектрометры на основе вакуумных ФЭУ обладают низким спектральным разрешением и неудовлетворительной по современным меркам эргономикой. В рамках настоящего ПНИЭР планируется разработать научно-технический задел для производства современного полевого гамма-спектрометра в соответствии с концепцией геофизической аппаратуры 5-го поколения. Ключевой особенностью нового полевого гамма-спектрометра является использование твердотельных кремниевых ФЭУ вместо морально устаревших вакуумных ФЭУ Таким образом, целью проекта является вывод на рынок нового поколения полевого гамма-спектрометрического оборудования на основе твердотельных кремниевых фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), обладающего повышенными характеристиками чувствительности, точности и автономности в сочетании с малыми массогабаритными параметрами.

Основные планируемые результаты проекта:
Создание прототипа полевого гамма-спектрометра будет обусловлено достижением следующих промежуточных научно-технических результатов:
а) Новый метод и соответствующие технические средства оптической стыковки кремниевого ФЭУ и сцинтилляционного кристалла, с целью согласования их оптических (в том числе, спектральных) характеристик и геометрических размеров;
б) Датчик полевого гамма-спектрометра на основе кремниевого ФЭУ, в том числе конструкция датчика и управляющее программное обеспечение датчика;
в) Беспроводной блок обработки полевого гамма-спектрометра, обеспечивающий прием/передачу данных с/на датчик по радиоканалу;
г) Новые алгоритмы обработки измеряемых данных:
- алгоритм автоматического распознавания спектров;
- алгоритм автоматического обнаружения аномалий;
- алгоритм радиационного картирования местности.
д) Проект технического задания на ОКР.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом является полевой гамма-спектрометр на базе твердотельных кремниевых ФЭУ, обладающий следующими преимуществами в сравнении с существующим измерительным оборудованием:
а) малый вес - не более 2 кг (датчик и блок обработки). У существующих гамма-спектрометров только датчик обладает весом от 3 кг;
б) повышенная автономность - до 16 часов непрерывной работы против 3-4 часов у существующих полевых гамма-спектрометров;
в) высокая линейность передаточной характеристики, благодаря в том числе отсутствию зависимости от воздействия магнитных полей в отличие от традиционных вакуумных ФЭУ;
г) широкие возможности обработки и передачи измеряемых данных: встроенный ГЛОНАСС/GPS; цифровые интерфейсы Ethernet, USB, RS232, CAN; автоматическое распознавание спектров; автоматическое обнаружение аномалий и др.

Основным источником научно-технической неопределенности, являющимся причиной отсутствия измерительного геофизического оборудования на основе кремниевых ФЭУ, является несогласованность размеров сцинтиллятора и кремниевого ФЭУ. Площадь последнего существенно меньше. В качестве основного подхода к решению данной задачи в рамках ПНИЭР планируется разработка согласовывающего оптического элемента, обеспечивающего передачу в полном объеме лучей со сцинтиллятора на чувствительную площадку кремниевого ФЭУ. При этом будет выполнено исследование необходимых геометрических и оптических характеристик согласовывающего элемента с целью достижения наиболее эффективной работы согласованной пары сцинтиллятор – кремниевый ФЭУ. Метод согласования сцинтиллятора и кремниевого ФЭУ является одним из основных планируемых результатов ПНИЭР и способен к правовой охране ввиду отсутствия сведений о существовании аналогичных либо иных решений представленной задачи.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИЭР позволят вывести на рынок новое поколение полевых гамма-спектрометров, обладающих высокой точностью и недостижимыми для существующих аналогов эргономическими и весовыми характеристиками в сочетании со сравнимой или более низкой стоимостью. Данные преимущества позволят составить успешную конкуренцию, а в перспективе и вытеснить существующие гамма-спектрометры на основе вакуумных ФЭУ, не имевшие принципиальных изменений в течение последних 50 лет и потому сохранившие все недостатки: большие габариты и вес, высокое энергопотребление, зависимость от магнитных полей.

С точки зрения области применения конечного результата проекта, полевого гамма-спектрометра, то преимущества, обусловленные использование кремниевого ФЭУ - габариты, вес, высокая точность - позволят существенно расширить традиционные области применения устройства:
а) улучшение характеристик даст положительный эффект в основной области - геологоразведка: снижение себестоимости измерений, повышение точности прогнозов по запасам минерально-сырьевой базы;
б) экология – более точное обнаружение и идентификация загрязнений;
в) безопасность и предотвращение чрезвычайных ситуаций (Министерство обороны, МЧС) - повышение ударопрочности и уменьшение массо-габаритных характеристик позволит применять этот прибор для оснащения робототехнических систем при решении специальных задач;
г) задел для создания новейших серийных устройств для флуоресцентного анализа и других задач, связанных с анализом слабых потоков в измерительных системах;
д) успешное решение задач ПНИЭР заложит основу для перехода к гамма-спектрометрам на основе счетчиков фотонов.

Текущие результаты проекта:
На текущий момент выполняется этап 1 проекта, в том числе:
- Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ
- Проведение патентных исследований
- Сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований
- Разработка вариантов возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи
- Разработка архитектуры ЭО полевого гамма – спектрометра
Получение основных результатов проекта планируется на этапах 2 и 3.