FR1465698A - Discriminateur de particules nucléaires - Google Patents

Description

Discriminateur de particules nucléaires.

La présente invention se rapporte à des. discriminateurs de particules nucléaires, et plus particulièrement à des moyens pour établir une distinction entre des types de particules nucléaires détec
tées par des compteurs à scintillations., L'expression particules nucléaires : > utilisée
dans la présente demande de brevet englobe en
fait, des radiations atomiques en général c'est-à-dire
des particules telles que des neutrons, des protons, des électrons et des particules alpha, et aussi des rayonnements tels que les rayons gamma. Ainsi, un discriminateur selon l'invention peut être utilisé, par exemple, pour distinguer des neutrons dans un arrière plan de rayons gamma.

De nombreux discriminateurs de particules nucléaires ont été proposés antérieurement. Leur fonctionnement dépend du fait que lorsqu'une particule nucléaire frappe une matière luminescente, la forme de l'impulsion électrique produite par un photomultiplicateur associé est déterminée par le type de particule nucléaire. Ceci est dû au fait que la matière luminescente présente deux modes de déclin de la luminescence, certains photons étant émis avec une grande vitesse de déclin de luminescence
(ceci étant désigné par composante rapide ) et certains photons étant émis avec une faible vitesse de déclin de luminescenoe (ceci étant désigné par composante lente ). Pour une substance luminescente donnée, le rapport de l'intensité de la composante rapide à l'intensité de la composante lente est caractéristique du type de particule nucléaire.

La forme de l'impulsion est donc aussi caractéristique du type de particule nucléaire,. ceci résultant du fait que l'amplitude de la crête initiale de l'impulsion est déterminée en grande partie par la composante rapide et que la forme de l,a partie arrière de l'impulsion est déterminée par la composante lente.

Toutefois, en pratique, on a rencontré des dif ficultés avec des discriminateurs de particules nu cléaires proposés antérieurement, qui établissaient mal une distinction pour des particules à faibles énergies et qui présentaient un fonctionnement peu satisfaisant à des grandes vitesses de comptage. Par conséquent, un tbut de l'invention est de fournir un diseriminateur de particules nucléaires perfec tionné...

Conformément à l'invention, un discriminateur de particules nucléaires, dans lequel une impulsion électrique est produite par un photomultiplicateur par suite de l'incidence d'une particule nucléaire sur une matière luminescente associée, comprend un moyen pour produire un premier signal dont l'amplitude est sensiblement proportionnelle à l'tinté grale de la charge fournie par le photomultiplica teur pendant la partie de ladite impulsion qui est due à la composante rapide, un moyen pour produire un second signal dont l'amplitude est sensiblement proportionnelle à Fintégrale de la charge fournie par le photomultiplicateur pendant pratiquement toute l'impulsion, et un moyen pour comparer les amplitudes des premier et second signaux, l'arrangement étant tel que la comparaison des amplitudes des premier et second signaux per met d'établir une distinction. entre deux types différents de particules nucléaires incidentes.

Conformément à une caractéristique de l'invention, un discriminateur de particules nucléaires, dans lequel une impulsion électrique est produite par un. photomultiplicateur par suite de l'incidence d'une particule nucléaire sur une matière lumi nescente associée, comprend ! un. moyen pour pro- duire un premier signal dont l'amplitude est sen sihiement proportionnelle à l'intégrale de la charge fournie par le photomultiplicateur pendant la partie de l'impulsion qui est due à la composante ra pi de, un moyen pour produire un second signal dont l'amplitude est sensiblement proportionnelle à l'intégrale de la charge fournie par le photomultiplicateur pendant la partie de l,impulsion qui est due à la composante lente, et un moyen pour comparer les amplitudes des premier et second signaux, l'arrangement étant tel que la comparaison des amplitude des premier et second signaux permet d'é- tablir une distinction entre deux types différents de particules nucléaires incidentes.

On décrira ci-après l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
La figure I représente le schéma du discrimi- nateur, en grande partie sous forme de rectangles; et
La figure 2 représente des formes d'ondes idéalisées utilisées pour l'explication du fonctionnement du discriminateur de particules.

On va se référer maintenant à la figure 1 : les particules nucléaires incidentes, représentées par les lignes en tireté 1, sont contraintes à tomber sur un scintillateur 2 comprenant une matière luminescente organique. Un photomultiplicateur 3 associé fournit une impulsion électrique de sortie qui dépend des scintillations résultantes
La sortie du photomultiplicateur 3 est reliée à un discriminnteur d'amplitude 4 à réponse très rapide, et aussi à un réseau de dérivation 5. Le réseau 5 présente deux sorties dont I'une est connectée, par un conditionneur 6 à l'émetteur d'un tran- sistor à jonctions 7 du type npn, dont la base est maintenue à un potentiel fixe. Le collecteur du transistor 7 est relié par un condensateur 8 à la masse et aussi à une entrée d'un amplificateur dift férentiel 9. L'autre entrée de l'amplificateur 9 est maintenue à un potentiel constant V0, et les deux entrées sont reliées entre elles par une résistance 10 de très grande valeur. La sortie de l'arnplifi- cateur 9 est reliée par un conditionneur 11 à l'entrée mentionnée en premier, e'est-à-dire au condensateur 8.

Un couplage direct est utilisé d'un bout à l'autre de ce montage, de la sottie du photomultiplicateur 3 au condensateur 8, y compris l'amplificateur 9 et le conditionneur 11
L'autre entrée du réseau de dérivation 5 est connectée à un circuit supplémentaire semblable à celui qui vient d'être décrit. Les mêmes numéros de référence sont utilisés pour ce circuit supplée mentaire, mais il leur a été ajouté des suffixes.

Les conditionneurs o, 6'; 11 et il' sont susceptibIes chacun d'être commandés de façon à être soit débloqués soit bloqués, les signaux de commande étant fournis par un réseau de minutage ou de synchronisation 12 qui est lui-même commandé par le discriminateur d'amplitude 4.

Chacun des amplificateurs 9 et 9' fournit un signal de sortie qui est appliqué à un réseau de différence 13 dont la sortie est reliée à un compteur 14.

On va maintenant décrire le fonctionnement du discriminateur en se référant aussi à la figure 2.

Comme pour les discriminateurs proposés antérieu rement, le fonctionnement dépend de la variation de la forme d'onde de l'impulsion fournie par le photomultiplicateur 3 pour différents types de par. tipules nucléaires incidentes. Toutefois, en contraste avec les discriminateurs connus, le discriminateur selon l'invention fonctionne en engendrant à partir de chaque impulsion d'entrée deux signaux dont les amplitudes sont sensiblement proportionnelies au nombre de photons contenus dans la composante rapide et au nombre total de photons qui ont engendré l'impulsion d'entrée, respectivement.

Une impulsion d'entrée typique est représentée par la forme d'onde A. Quand le photomultiplica- teur 3 fournit une telle impulsion, le discriminateur d'amplitude 4 (qui élimine simplement des impulsions parasites de faible amplitude) détecte le flanc avant de l'impulsion et déclenche le fonctionnement du réseau de minutage 12. Le réseau de minutage débloque le conditionneur 6 et le con- ditionneur 6' et bloque les conditionneurs 11 et 11'.

Tout ceci se produit à l'instant t0 qui coïncide en fait avec Ie flane avant de l'impulsion d'entrée
Les conditionneurs 6 et 6' étant débloqués, les transistors 7 et 7' sont débloqués et les condensa- teurs 8 et 8' commencent à se charger. les formes d'onde B et C représentent respectivement les tensions engendrées aux bornes des condensateurs 8 et 8'.

Aux instants ultérieurs t1 et te, les conditionneurs 6 et 6' sont respectivement bloqués de sorte qu'à ces instants les tensions aux bornes des condensateurs 8 et 8' cessent de croître. L'ions tant t1 est tel que la charge fournie au condensateur 8 est à peu près seulement celle qui résulte de la partie de l'impulsion d'entrée qui est due à la composante rapide. L'instant t2 est tel que la charge fournie au condensateur 8' est celle qui est due à la totalité de l'impulsion d'entrée, prati- quement.

Par conséquent, la sélection de t1 et te dépend en grande partie de la matière luminescente particulière utilisée et de la précision nécessaire, mais pour que la discrimination soit basée sur l'information maximum compatible avec une fréquence de comptage raisonnable, t2 est normalement tel que la charge due à une fraction de la composante lente, comprise entre 95 et 99 %, est présente.

Si on suppose, pour le moment, que les condensateurs 8 et 8' ont des capacités égales, le rapport des tensions à leurs bornes est égal au rapport de la charge due à la composante rapide à la charge totale et est earaetéristique de la particule nucléaire incidente. Des tensions proportionnelles aux tensions engendrées aux bornes des condensateurs 8

Claims (6)

et 8'sont en fait disponibles aux bornes de sortie des amplificateurs 9 et 9' et sont utilisées pour décider du type de particule nucléaire incidente. Quand une distinction doit être faite entre deux types particuliers de particules nucléaires, il est commode de s'arranger pour que les capacités de condensateurs 8 et 8' ne soient pas égales mais aient des valeurs relatives telles que la différence entre les tensions aux bornes de ces condensateurs soit positive pour un des types de particule nueléai- re et négative pour l'autre type, cette différence étant déterminée par le réseau de différence 13. Le compteur 14 enregistre un compte d'une unité seulement quand la différence est positive ou seulement quand elle est négative, selon le type de particule nucléaire qui doit être comptée. Selon une variante, deux compteurs 14 peuvent être prévus, et des particules nucléaires des deux types peuvent être comptées. A un instant t l, qui succède immédiatement à l'instant t2, les eonditionneurs 11 et 11' sont débloqués. I1 en résulte que les tensions aux bornes des condensateurs 8 et 8' sont ramenées très rapi- dement et très exactement à leur valeur initiale. Le discriminateur de particules nucléaires est alors prêt pour la particule nucléaire incidente suivante. Ainsi qu'on l'a exposé, le conditionneur 6' est débloqué de l'instant t0 à l'instant t1 mais selon une variante il peut être débloqué de l'instant t1 à l'instant t2. Dans ce cas, le rapport des tensions aux bornes des condensateurs 8 et 8' qu'on suppose à nouveau égales aux fins de l'explication, serait égal au rapport de la charge due à la composante rapide à la charge due à la composante lente et serait, à nouveau, caractéristique de la particule nucléaire incidente. Dans un mode d'exécution particulier du discri minateur de particules nucléaires utilisant des circuits à fonctionnement rapide comprenant des con- ditionneurs ayant un temps de montée inférieur à 2 nanosecondes, on obtient une discrimination sur laquelle on peut se fier pour des fréquences de comptage dépassant 105 par seconde. Le pouvoir de diseriminattion entre des types de particules nucléaires à faibles énergies est limité principalement par la statistique du nombre d'électrons photoélectriques produits par la cathode du photomultipli. cateur. RÉSUMÉ Discriminateur de particules nucléaires dans lequel une impulsion électrique est produite par un photomultiplicateur par suite de l'incidence d'une particule nucléaire sur une matière luminescente associée, earaetérisé par les points suivants pris séparément ou en combinaisons 1" Il comprend un. premier moyen générateur pour produire un premier signal dont l'amplitude est sensiblement proportionnelle à l'intégrale de la charge fournie par le photomultiplicateur pendant la partie de l'impulsion qui est due à la composante rapide, un second moyen générateur pour produire un second signal dont l'amplitude est sensiblement proportionnelle à l'intégrale de la charge fournie par le photomultiplicateur pendant un second intervalle de temps. pratiquement toute la durée de l'impulsipn, et un moyen eomparateur pour comparer les amplitudes des premier et se cond signaux, l'arrangement étant tel que la comparaison des amplitudes des premier et second signaux permet d'établir une discrimination entre deux types différents de particules nucléaires inci dents;
1. 20 Ledit second intervalle de temps coïncide avec la durée totale de ladite impulsion;
2. 30 Le premier moyen générateur comprend un. premier intégrateur de charge auquel l'impulsion est appliquée par l'intermédiaire d'un premier conditionneur, et qui comprend un premier condensateur accumulant la charge et couplé directement à la sortie du photomultiplicateur, un arrangement de minutage qui provoque le déblocage du premier conditionneur à l'instant t0, qui coïncide sensiblement avec le flanc avant de ladite impulsion et le blocage de ce premier conditionneur à un. instant ultérieur t1 qui correspond d sensihlemen à la fin de ladite impulsion et qui est due à la composante rapide, et un moyen servant à engendrer le premier signal aux bornes du premier condensateur, le second moyen générateur comprenant un second intégrateur de charge auquel ladite impulsion est appliquée par l'intermédiaire d'un second conditionneur, le second intégrateur de charge comprenant un second condensateur qui accumule la charge et qui est couplé directement à la sortie du photomultiplicateur;

   40 L'arrangement de minutage provoque le déblocage du second conditionneur à l'instant t0 et le blocage de ee. second conditionneur à un instant ultérieur t2 très proche de la fin de ladite impulsion, et un moyen sert à prélever ledit second signal aux bornes du second condensateur;
3. 50 Un. moyen sert à ramener les tensions aux bornes des premier et second condensateurs à une valeur prédéterminée, rapidement et avec précision, à un instant t qui suit immédiatement l'instant t2,
4. 60 Ledit second intervalle de temps coïncide avec la partie de ladite impulsion qui est due à la composante lente;
5. 70 Ledit arrangement de minutage provoque le déblocage du second conditionneur à l'instant t1 et son blocage à un instant ultérieur t2 très voisin de la fin de ladite impulsion, et un moyen sert à prélever le second signal aux bornes du second condensateur;
6. 80 Un moyen ramène les tensions aux bornes des premier et second condensateurs à une valeur prédéterminée, rapidement et avec précision, à un instant t3 qui suit immédiatement l'instant t2.