Постановка измерительной задачи и ее решение спектрометрическим методом

Ю.П.Сельдяков, советник генерального директора НИЦ СНИИП

Текущий этап развития техники выдвигает на передний плана измерительной процедуры широкую автоматизацию определения значений характеристик измеряемого объекта при высокой экспрессности и необходимой точности измерения.

Эта тенденция неизбежно наложила свой отпечаток на современную спектрометрическую аппаратуру (далее для краткости - спектрометры), нашедшую применение в различных отраслях науки техники. Из-за своей высокой информативности спектрометры ионизирующих излучений практически повсеместно используются в настоящее время в аналитическом и технологическом контроле производства наряду с традиционным применением в научных исследованиях. В связи с улучшением параметров детекторов ионизирующих излучений, внедрением прогрессивных схемотехнических решений спектрометрического тракта обработки сигналов детектора, использованием новых электронных компонентов и средств вычислительной техники появляются реальные возможности создания более современной и аппаратуры для спектрометрии ионизирующих излучений. Универсальность и широкое внедрение в практику спектрометрического метода и спектрометров привели к появлению в последние годы многих международных нормативных документов (изданных МЭК, ИСО, МКРЗ, МОЗМ и др.), непосредственно относящихся к этому направлению ядерного приборостроения.

В нынешней практике измерений ионизирующих излучений довольно часто бывают случаи, когда с одной стороны возможности спектрометрического метода недооценивают или отвергают (в основном из-за его сложности как аппаратурной, так и методической части), а с другой - напротив, переоценивают. Анализ формирования таких полярных оценок показывает, что в большинстве случаев они вытекают из методологической ориентации пользователей и разработчиков аппаратуры, которая образовывалась в результате приверженности либо радиометрическому, либо спектрометрическому методу. В настоящей работе сделана попытка упорядочить некоторые представления, определяющие при выявлении направления разработки выбор спектрометрического метода для решения конкретной измерительной задачи и формирование требований к аппаратуре, ее реализующей.

Постановка измерительной задачи

При разработке измерительной аппаратуры любого вида (включая создание методик измерения и спектрометров конкретного назначения) необходимо наиболее полно и адекватно представлять решаемую измерительную задачу как для определения направления разработки, так и для конкретизации видов обеспечения не только самой разработки, но и качества создаваемого устройства. Информационное поле, характеризующее поставленную задачу, в основном определяется ответами на следующие вопросы, обычно отражаемые в техническом предложении или техническом задании на разработку:

• Что собой представляет объект измерения (предмет, образец, проба, физическое состояние объекта измерения, его размеры, особенности и т.п.)?

• Значение какого параметра (или совокупности параметров) объекта измерения необходимо определять?

• Каков диапазон изменения измеряемого параметра?

• Какие требования выдвигаются к точности, статистической неопределенности и к погрешности измерения?

• Имеются ли интерферирующие процессы, влияющие на измерения?

• В каких условиях необходимо проводить измерение?

• Какие специфические требования выдвигаются к констpуктивно-технологическому оформлению и констpуктивно-механической совместимости создаваемого устройства (вес, габариты, тип конструктива и т.п.)?

• Имеются ли особенности электромагнитной совместимости создаваемого устройства и среды измерения (электрическое питание, уровни внешних и, возможно, создаваемых электромагнитных помех, контурные токи, особенности трансляции аналоговых и цифровых сигналов и т.п.)?

• Какой алгоритм должен использоваться для обработки измерительной информации?

• В какой форме должны быть представлены результаты измерений (для инфоpмационно-измеpительных систем)?

• Какие необходимо принимать решения или генерировать сигналы после завершения измерения и обработки первичной измерительной информации (для инфоpмационно-упpавляющих систем)?

При формулировании измерительной задачи и определении особенностей аппаратуры, предназначенной для ее решения, приходится также учитывать дополнительные факторы, среди которых можно отметить наиболее характерные и значимые:

* соответствие требованиям национальным и международным стандартам,

* соответствие специальным требованиям заказчика,

* существующие традиции в организации и проведении измерений;

* наиболее предпочтительный метод;

* технико-экономические, социальные и, возможно, политические факторы, определяющие целесообразность разработки;

* техническая и технологическая оснащенность производства для изготовления аппаратуры;

* требования к технике безопасности;

* удобство работы, обслуживания и ремонта;

* ограничения по стоимости создаваемого устройства;

* конкурентоспособность.

Таким образом, ответы на поставленные вопросы с учетом отмеченных выше дополнений позволяют определить основные требования к измерительной системе, способную решать поставленную задачу.

Конкретная техническая реализация измерительного устройства базируется на различных видах обеспечения качества измерения и разработки, к основным видам которого относятся методическое, метрологическое, техническое и организационно- правовое.

Методическое обеспечение определяет порядок подготовки к измерению, саму процедуру измерений, а также интерпретацию результатов измерений и алгоритм обработки измерительной информации. Метрологическое обеспечение определяет достоверность как результатов измерений, так и конечных информационных данных. В принципе адекватность результатов измерений достигается за счет именно этих видов обеспечения.

К техническим видам обеспечения разработки можно отнести аппаратурное (системное), математическое, программное, информационное, производственное, технологическое, документационное и др., а к оpганизационно-пpавовым - финансовое, юридическое, кадровое, патентно-лицензионное и собственно организационное обеспечение (менеджмент). На стыке технического и организационного обеспечения находится матеpиально-техническое обеспечение разработки. Особенности методики измерений и разработки аппаратуры могут потребовать использования иных видов обеспечения, не упомянутых здесь (например, алгоритмическое, статистическое, медико-биологическое, транспортное).

Естественно, что предложенное группирование отдельных видов обеспечения является в какой-то мере условной. Однако, оно тем не менее показывает их сложную взаимосвязь, которую приходится учитывать при разработке новых видов техники.

Основные задачи обработки первичной измерительной информации - аппаратурных спектров

Выявив применимость спектрометрического метода для решения конкретной измерительной задачи, необходимо однозначно определить порядок использования первичных данных об объекте измерения для получения конечной информации в соответствии с условиями поставленной задачи. Поэтому сначала первичные данные должны соответствующим образом интерпретироваться для их последующего преобразования в вид, удобный для практического применения.

Известно, что полученную со спектрометрического блока детектирования распределение импульсов по определенным параметрам (например, импульсов напряжения или тока, время их регистрации) спектрометр фиксирует в виде аппаратурного спектра, в определенной степени отображающего плотность вероятности распределения частиц либо по энергии либо во времени.

В практике современных спектрометрических измерений в подавляющем большинстве случаев используют информацию об энергетическом распределении частиц, собственно о котором и будет идти далее речь. Информация же о распределении частиц во времени используется реже и находит практическое применение, например, в нейтронной спектрометрии (измерение энергии нейтронов по времени пролета), в мессбауэpовской спектрометрии (поканальный счет импульсов в зависимости от ускорения или скорости источника относительно исследуемого образца).

Всегда при обработке аппаратурных спектров, отображающих энергетическое распределение зарегистрированных частиц, приходится решать две основные задачи по обработке аппаратурных спектров, которые в научно-технической литературе именуются качественным и количественным анализом спектров. Они сводятся к тому, что нужно:

1. Выявить в аппаратурном спектре по заданным признакам наличие характерных участков спектра, которые могут представлять непосредственный интерес для интерпретации результатов измерений. В большинстве случаев прикладной спектрометрии такими участками являются пики распределения, обычно сопутствующие процессу полного поглощения энергии частицы или кванта в чувствительной области детектора. Существенно реже в практике спектрометрических измерений этими участками могут быть высокоэнергетические края комптоновского распределения, пики вылета, пики или края распределений рассеяния, пики Ландау, обусловленные удельными потерями энергии, и т.п.

2. Предписать найденным участкам спектра количественные характеристики, к которым относятся:

- их положение в шкале спектрометра;

- площадь этих участков.

Использование данных качественного и количественного анализа аппаратурных спектров позволяет перейти к решению последующих подзадач спектрометрии, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Определить энергетический спектр зарегистрированных детектором частиц, т.е. перейти от аппаратурного спектра к спектру энергий частиц, падающих на детектор (обратная задача спектрометрии).

Результаты решения этой подзадачи могут использоваться, например, для определения параметров поля ионизирующих излучений, в фундаментальных и прикладных исследованиях, в дозиметрии, в физике защиты, управлении технологическими процессами.

2. Определить энергетический спектр частиц, испущенных исследуемым объектом. Результаты решения этой подзадачи в основном используются для определения параметров объекта измерения, находящегося в условиях либо заданной (или известной), либо фиксируемой геометрии. Реализация этой подзадачи находит применение в практике определения количеств радионуклидов или возбужденных атомов при радионуклидном, изотопном или элементном количественном анализе, в фундаментальных и прикладных исследованиях, в технологическом контроле.

3. Определить отношение площадей выделенных или заданных участков аппаратурного спектра (энергетических окнах). Решение этой подзадачи позволяет определить относительные интенсивности линий аппаратурного спектра. Обычно решение этой подзадачи широко применяется при обработке однотипных детерминированных спектров. Типичный пример применения такого технического решения - это массовый, или рутинный, анализ однотипных образцов или объектов, например, при активационном и pентгенофлуоpесцентном анализе, при контроле биологических образцов и проб окружающей среды. В этом случае нет необходимости накапливать весь спектр излучения, а достаточно регистрировать распределение информационных сигналов в выделенных энергетических интервалах, которые представляют интерес для выполнения анализа. Обработка данных тогда сводится к операциям с числами, характеризующими количество импульсов в этих интервалах, что является одним из способов сжатия информации в спектрометрических измерениях.

На рисунке, исходя из положений настоящей статьи, схематически показана информационная взаимосвязь между постановкой измерительной задачи и наиболее характерными областями применения спектрометрического метода.

На ранних этапах развития спектрометрического метода качественный и количественный анализ измеренных спектров был только прерогативой пользователя спектрометра, который при обработке спектра полагался в основном на свои опыт и знания. В этом случае интерпретация спектра в существенной мере определялась субъективным фактором.

В период расцвета применения сцинтилляционной спектрометрии достигнутые погрешности в определении энергии частиц составляли 0,05-0,5%, а неопределенности интенсивностей спектральных линии - около 1 процента. Широкое внедрение в научную и производственную практику спектрометров с ППД с использованием СВТ и совершенствование методик измерений позволяет определять значения энергии частиц с погрешностями 10-2 - 10-4 %, а интенсивностей линий - с неопределенностью около 1% и менее. В обоих случаях относительные интенсивности линий в основном определяются статистикой отсчетов. Эти факторы, с одной стороны, привели к ужесточению требований к таким параметрам спектрометров с ППД как интегральная нелинейность(основная погрешность) и стабильность характеристики преобразования, а с другой стороны, потребовали снизить до возможного минимума субъективный фактор при интерпретации спектров, в которых интенсивности пиков, нередко перекрывающихся, различаются на несколько порядков. Все это привело к необходимости создания надежных алгоритмов обработки спектров, а возрастающий поток информации потребовал создания экспрессных методов ее обработки. Качественным выходом из создававшейся ситуации явилась разработка специализированных измерительных установок, использование средств вычислительной техники для обработки большого объема спектрометрической информации и создание различных программ обработки измерительной информации, а также новых подходов и методов метрологического обеспечения спектрометрических измерений.

Принципы построения спектрометрических средств измерения ионизирующих излучений

Прогресс в области детекторов, спектрометрических трактов, электронной и вычислительной техники и программного обеспечения позволяет говорить о новых тенденциях в разработке спектрометрической аппаратуры. В основном это обусловлено следующими причинами:

1. Развитие схемотехники и накопленный опыт разработки разнообразных изделий ядерного приборостроения позволяет осуществить в настоящее время автоматизацию большинства этапов процесса измерения. Это в свою очередь приводит к тому, что участие оператора в измерении становится минимальным и тем самым исключается возможность его субъективной ошибки как при управлении процессом измерения, так и при интерпретации результатов измерений.

2. Широкое освоение средств вычислительной техники позволяет создавать в настоящее время завершенные инфоpмационно-измеpительные и информационно-управляющие установки различной категории сложности, т.е. такие установки, которые в итоге измерения представляют пользователю готовую конечную информацию об объекте измерения и позволяют оперативно управлять различными подконтрольными процессами. Развитие смежных областей техники в настоящее время позволяют объединять несколько установок в измерительные комплексы, которые находят применение для контроля и управления особо сложными и ответственными процессами, например, в составе аппаратуры АСУТП.

Если проанализировать принципы аппаратурной реализации современного арсенала спектрометрической аппаратуры, которые используются в характерных областях применения, указанных на рисунке, можно выделить в основном четыре структурных варианта построения спектрометров.

Первый вариант представляет собой хорошо известную, исторически сформировавшуюся традиционную цепочечную структуру, в которой составные части спектрометра образуют последовательность функциональных блоков или узлов, поочередно по мере поступления преобразующие и обрабатывающие сигнал детектора. Выходная информация таких приборов представляет собой накопленный в течение времени измерения аппаратурный спектр или участки этого спектра. Для установок этого типа характерно то, что составные ее части создаются разработчиками, нередко не связанными организационно воедино (например, разработчики соответственно детекторов или блоков детектирования, измерительного тракта и анализатора амплитуд импульсов). Такой подход из-за стремления разработчиков блоков создать универсальное изделие приводит к существенной избыточности аппаратурного обеспечения и неоптимальности технического решения спектрометра в целом. Тем не менее модульный принцип построения спектрометра создает определенную гибкость его структуры, позволяющую изменять и дополнять конфигурацию аппаратуры отдельными блоками или узлами. Преимущества такого построения проявляются наиболее значительно в прикладных и фундаментальных исследованиях, когда требуется оперативно реализовывать определенную структуру спектрометра в зависимости от требований эксперимента.

Второй вариант аппаратурного построения спектрометра представляет собой практически первый, оснащенный дополнительным узлом в виде таймеpа-контpоллеpа, выполняющего функции управления всем спектрометром и отдельными его составными частями. В этом случае по существу спектрометр представляет собой автомат с жесткой программой. Если по своей структуре второй вариант мало отличается от первого, то по своей сути здесь наблюдается переход количества в качество - переход от управляемой оператором системы к автоматической. Чаще всего в приборах такого строения используется жесткая программа:

1. Доставка образца на позицию измерения.

2. Набор спектра (или его участков) за заданное время или с заданной статистической неопределенностью.

3. Обработка результатов по определенному алгоритму.

4. Представление данных измерений и/или результатов их обработки (например, распечатка принтера, вывод на дисплей или запись этой информации в память прибора).

5. Удаление измеренного образца из зоны измерения.

6. Возврат к п.1 или сигнализация об окончании измерения.

Характерными примерами, соответствующими второму варианту построения спектрометров, является автоматические анализаторы проб, используемые в биологии, контроле окружающей среды, радиохимии и медицине, а также активационные и рентгеноспектральные комплексы для рутинных измерений.

Как показала практика разработок, спектрометры I и II вариантов могут быть скомпонованы в виде набора блоков и модулей системно-унифициpованной конструкции или же в виде так называемого монопpибоpа с единой лицевой панелью, содержащего функционально связанные узлы. Проектирование спектрометра в виде монопpибоpа позволяет исключить некоторую избыточность, свойственную блочной системе.

Третий вариант структурной реализации спектрометра базируется на применении ЭВМ (например, IBM-совместимой персональной ЭВМ), которая помимо функций управления спектрометром производит накопление измерительной информации и ее обработку.

Благодаря совершенствованию схемных решений спектрометрического тракта, исключения избыточности, свойственной модульной системе, производству широкой номенклатуры ИМС и достижениям технологии стало возможным компоновка на одной встраиваемой в ПЭВМ плате всего спектрометрического тракта, амплитудно-цифpового преобразователя, высоковольтного источника питания детектора, низковольтного источника питания предусилителя и согласующих каскадов связи с внутренним каналом ПЭВМ. Специально разработанное программное обеспечение для таких одноплатных спектрометров позволяет управлять ими непосредственно с клавиатуры ПЭВМ, обеспечивая задание коэффициента усиления, высокого напряжения, подаваемого на детектор, и времени его установления, текущего и живого времени измерения, цифрового смещения начального уровня шкалы преобразования ("нулевого" канала), порогов нижнего и верхнего пропускающих дискриминаторов и др. Помимо калибровки шкалы спектрометр может рассчитать интегральную нелинейность и разрешение пиков спектра, производить деконволюцию (разложение на составляющие) перекрывающихся пиков, рассчитывает положение и площадь пиков с их неопределенностями. Контроль работы спектрометра и его управление осуществляется оператором с помощью клавиатуры ПЭВМ, «мышью» и дисплея, на котором отображается необходимая информация. Диалоговый интерактивный режим с применением "меню" позволяет легко управлять спектрометром.

Большой объем памяти ПЭВМ обеспечивает хранение и использование не только программ управления и обработки, но также банка справочных данных. Это позволяет проводить полную обработку спектра, которая необходима при выполнении элементного или радионуклидного анализа. Все результаты измерений и их обработки могут храниться в ПЭВМ, а при необходимости выдаваться оператору или передаваться в информационную сеть.

Благодаря различным вариантам исполнения ПЭВМ (Desktop, Laptop, Notebook) сами спектрометры на их базе могут быть соответственно стационарными, передвижными или носимыми. В зависимости от типа монитора или дисплея "картинка" на нем может быть либо цветной, либо монохромной (чеpно-белой).

За счет соответствующего программного обеспечения можно в одну ПЭВМ встраивать несколько одноплатных спектрометрических устройств. В этом случае на базе одной ПЭВМ можно создавать спектрометрические системы с несколькими измерительными каналами как по видам излучения (альфа-, бета- и гамма-), так и по применяемым детекторам (например, для гамма-излучения - сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы). Благодаря возможности полной обработки информации, поступающей от различных измерительных каналов, такие системы могут использоваться в качестве инфоpмационно-измеpительных и инфоpмационно-упpавляющих.

Четвертый вариант построения спектрометров основан на расширении функций носимого многоканального анализатора амплитуд импульсов за счет использования микропроцессоров с различными видами запоминающих устройств, совместное применение которых осуществляет функции не только управления анализатоpом-спектpометpом, но и обработку результатов измерений и хранение измерительной информации. Компактность этой структуры, ее небольшой вес и энергетическая автономность обусловили ее применение для инспекционных и полевых измерений, в составе передвижных лабораторий и т.п. Особо перспективны использование таких спектрометров для оперативных измерений в сложных производственных условиях, например, для измерения параметров окружающей среды, на рудниках для контроля пород, для оперативного контроля радиоактивных выпадений, для экспрессного контроля радиоактивных и ядерных материалов (например, при таможенном контроле, для контроля выполнения гарантий МАГАТЭ).

Помимо основных функциональных узлов анализатора и процессора обработки информации в корпусе прибора размещены спектрометрический усилитель и источники питания блока детектирования и предусилителя. Изменение программ обработки спектров осуществляется либо сменой ПЗУ, которое хранит как саму программу так и все необходимые для обработки справочные данные, либо «перекачкой» программ с мини-дисковода. Такие спектрометры имеют ,как правило, канал внешней связи с ЭВМ для трансляции в нее накопленной информации. Практически многие вспомогательные операции и программы, упомянутые для третьего варианта, реализуются и в четвертом.

Рассмотренные выше варианты построения, учитывающие отечественный и зарубежный опыт разработки, производства и тенденции их развития, показывают возможные пути создания современных спектрометров ионизирующего излучения. Приведенные варианты аппаратурной реализации спектрометров в приборостроении получили наименование:

I – "вне линии" (off line)

II – "на линии" (on line)

III и IV – "в линии" (in line),

фактически оговаривая статус ПЭВМ или микропроцессорной техники, используемой для обработки результатов измерения и управления спектрометром.

Изложенные положения настоящей работы позволяют в какой-то мере формализовать порядок действий по созданию спектрометрической аппаратуры для решения измерительной задачи и, возможно, уменьшить временные затраты, связанные с разработкой аппаратуры. Очевидно, что при создании конкретного спектрометра можно выполнить перечисленные выше мероприятия в следующем порядке:

1. Постановка измерительной задачи и определение характеризующего ее информационного поля.

2. Анализ существующих возможностей обеспечения качества измерения и разработки.

3. Формализация алгоритма решения измерительной задачи.

4. Определение структуры измерительной аппаратуры, включая выбор детектора, варианта построения спектрометра и при необходимости типа ПЭВМ.

5. Полная разработка спектрометра, включая отдельные его части, методики измерения, программное и метрологическое обеспечение. Для ускорения разработки на этом этапе целесообразно в максимальной степени использовать апробированные ранее и готовые решения.

6. Техническая реализация спектрометрической аппаратуры, решающей поставленную измерительную задачу.

Исходя из конкретных условий проведения работы, перечисленные выше действия и их последовательность могут подвергаться изменению, дополнению или объединению, но, как показал многолетний опыт разработки аппаратуры, предложенный подход в целом сохраняется.

При подготовке этой статьи обобщались сведения из многочисленных источников отечественной и зарубежной информации, учитывались мнения специалистов, анализировались тенденции развития техники. Несомненно, что дальнейший прогресс в спектрометрии, ее аппаратурного оснащения и СВТ со временем, возможно, приведет к появлению революционных решений, способствующих как дальнейшей автоматизации процесса измерения так и повышению его качества. Для их реализации потребуется создание обновленной концепции метрологического обеспечения спектрометрических измерений и серьезная работа по совершенствованию ноpмативно-технической документации (отечественные и международные стандарты, методические инструкции и т.п.), которые будут определят не только методики достижения высокой точности спектрометрических измерений , но и порядок выпуска, аттестации, поверки и сертификации спектрометрической аппаратуры.

В заключение автор выражает благодарность специалистам НИЦ СНИИП и других предприятий, принявшим участие в горячих и плодотворных дискуссиях, которые привели к появлению этой статьи, и особенно А.Б.Доpину, М.В.Кондрашову, Б.Г.Егиазаpову, Н.A.Cельдяковой и Е.В.Степанову - вечная ему память.

Информационная взаимосвязь между постановкой измерительной задачи и характерными задачами, решаемыми спектрометрическим методом.

По материалам XIII ежегодного семинара «Спектрометрический анализ, аппаратура и обработка данных на ПЭВМ»

назад

Материалы из архива

5.2009 Перспектива развития энергетики с точки зрения науки

Н.Н.Пономарев-Степной, вице-президент Курчатовского института, академик РАН: - Наверное, 47 лет назад… я летал на самолете с атомным реактором. Вы знаете, тогда действительно атомная отрасль накопила очень могучие силы и мозговые, и интеллектуальные, и производство, и хотела попробовать эти силы в самых разных направлениях. В том числе, это атомный самолет, атомная ракета, т.е. ракета с ядерным двигателем, и космические установки… Я назову это ближайшее время…

12.2008 Лучшей заменой АЭС в Литве будет газ

Константин Симонов, генеральный директор Фонда национальной энергетической безопасности: - Атомные станции очень сложно и дорого строить. Есть опасения, что заявленные "советские" темпы - по два реактора в год - соблюдаться не будут, тем более в условиях кризиса. У нас в этой сфере достаточно много проблем - и в машиностроении, и у всех остальных участников производственной цепи. Надо понять, кто будет строить реакторы, кто будет строить станции, и надо помнить, что мощностей для строительства реакторов очень мало,..

3.2009 ЛАЭС-2: график как эффективный инструмент строительства

ОАО «Санкт-Петербургский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ» (ОАО «СПбАЭП»), выступающее генпроектировщиком и генподрядчиком Ленинградской АЭС-2, провело деловую игру «Практическое применение системы календарно-сетевого планирования для управления проектом сооружения ЛАЭС-2». В игре приняли участие подразделения ОАО «СПбАЭП» и основные подрядные организации.