Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0121

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0121
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Разработка прототипа высокочувствительного полевого гамма-спектрометра на базе твердотельных кремниевых ФЭУ
Докладчик
Добротворский Алексей Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является вывод на рынок нового поколения полевого гамма-спектрометрического оборудования на основе твердотельных кремниевых ФЭУ, обладающего повышенными характеристиками чувствительности, точности и автономности в сочетании с малыми массогабаритными параметрами.
Основные задачи проекта:
- Разработка метода и технических средств оптической стыковки кремниевого ФЭУ и сцинтилляционного кристалла;
- Разработка конструктивных и программно-технических решений в виде прототипа полевого гамма-спектрометра на основе кремниевого ФЭУ;
- Разработка алгоритмов обработки измеряемых данных в полевых условия.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

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.

Кроме того в рамках исследования будут решены следующие научно-технические задачи:

а) Разработка нового метода и соответствующих технических средств оптической стыковки кремниевого ФЭУ и сцинтилляционного кристалла, с целью согласования их оптических (в том числе, спектральных) характеристик и геометрических размеров;

б) Разработка датчика полевого гамма-спектрометра на основе кремниевого ФЭУ, в том числе конструкции датчика и управляющего программного обеспечения датчика;

в) Разработка беспроводного блока обработки полевого гамма-спектрометра, обеспечивающего прием/передачу данных с/на датчик по радиоканалу;

г) Разработка новых алгоритмов обработки измеряемых данных:

- алгоритм автоматического распознавания спектров;

- алгоритм автоматического обнаружения аномалий;

- алгоритм радиационного картирования местности. 
 


 

Результаты исследования

Прототип полевого гамма-спектрометра на базе твердотельных кремниевых ФЭУ, обладающий следующими преимуществами в сравнении с существующим измерительным оборудованием:

  • Малый вес - не более 2 кг (датчик и блок обработки). У существующих гамма-спектрометров только датчик обладает весом от 3 кг;

  • Автономность - до 16 часов непрерывной работы против 3-4 часов у существующих полевых гамма-спектрометров;

  • Отсутствие зависимости от воздействия магнитных полей в отличие от традиционных вакуумных ФЭУ;

  • Встроенный ГЛОНАСС/GPS; цифровые интерфейсы Ethernet, USB, RS232, CAN; автоматическая обработка измерений в полевых условиях.

Практическая значимость исследования
езультаты 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.