MIKRORACUNALNIŠKO VODENI TL ANALIZATOR M.Mihelič, U.Miklavžič, Z.Rupnik, P.Satalič Institut "Jožef Stefan", Univerza Edvarda Kardelja, Ljubljana, Jugoslavija UDK: 681.3.06 POVZETEK: V prispevku 30 nanizane osnovne zahteve upoštevane pri razvoju termoluminescenčnega analizatorja natnenjenega tako rutlnskemu določanju doz, kot laboratorijskemu raziskovalnemu delu ter podane rešitve z mikroračunalnikom, ki so privedle do uspešne realizacije naprave. SUMMARY: In the paper the principal requirements folloned in the design of the thermoluminescent analyzer intended for the routine dose readings, as well as for the laboratory research work are described, and an outline of the microcompu- ter-based solutions which led to successful realization of the device is given. UVOD Prodor mikroračunalniške tehnologije posredno povzroča, da tudi v dozimetriji, zlasti v osebni - kjer se obdelu- je veliko število dozimetrov, novejše računalniško pri- lagodljive fizikalne metode dobivajo dodatno težo in iz- podrivajo klasične načine merjenja. Taka sodobna metoda Je termoluminescenca, ki sloni na lastnosti dolooenih dielektričnih materialov, da po radiaktlvnem obsevu od- dajo pri segrevanju del absorbirane energije v obliki vidne svetlobe. Množina izsevane svetlobe je zato zelo linearno merilo prejete doze. Dozimetri, izdelani iz ta- kih materialov imajo veo prednosti pred klasionlmi: s svojim linearnim svetlobnim odzivom pokrivajo izjemno široko področje doz (od 10" Cy do 10 Gy), prenesejo ekstremne dozne hitrosti, so ponovno uporabni in so za- radi svoje majhnosti tudi nadvse priročni. Vendar se navzlio svojim izjemnim laatnostim TL dozimetrija v ru- tinski rabi še ni popolnoma udomačila. Vzroke gre iskati v razmeroma zahtevnem čitanju in interpretaciji rezulta- tov ter v različnih karakteristikah posameznih vrst ma- " terialov. To zahteva dodatno znanje in ustrezno apara- turno opremo. Sodobne mikroračunalnlške metode danes omogooajo ele- gantno reševanje problemov vodenja merilnlh procesov, obdelave rezultatov in njlhovega prikaza. Rezultat upo- rabe takih metod je večnamenski mikroračunalniški termo- luminescentni analizator HR-200, ki je bil razvit na IJS in je namenjen tako rutlnski dozimetriji kot raziakoval- ni rabi. Namen tega prispevka je prikazati osnovne pote- ze raikroraounalniških metod uporabljenih pri konoipiranju in realizaciji merilnika. MERILNI PROCES Lastnost termoluminesoenčnlh materialov, da si "zapomni- jo" sprejeto dozo, je mogoče izkoristiti na več~načinov. Postopek, ki je glede na izvedbo raorda manj zahteven, je tak, da dozimetrsko tableto, ki je bila predhodno izpos- tavljena radioaktivnemu sevanju, segrevamo na električ- nem grelcu po predpisanem programu in merimo oddano svetlobno energijo. Pri tem je časovni potek jakosti iz- sevane svetlobe (žarilna krivulja) odvisen od časovnega poteka segrevanja. Iz poteka žarilne krivulje in ob upo- števanju lastnosti uporabljenega TL materiala, je mogoče raounsko določiti prejeto dozo. Za realizacijo raerilnika, ki bi izpolnjeval zahteve me- rilnega prooesa, zagotavljal reproduoibilnost meritev in s tem dajal uporabne rezultate ter hkrati omogočal ovrednotenje izmerjenih vrednosti in prikaz rezultatov, je potrebno izvesti (slika.D: - Programirano segrevanje dozimetrske tablete. Ker je časovni potek jakosti izsevane svetlobe, s tem pa tudi evaiuacija svetlobnega signala, odvisen od časovnega poteka teraperature dozimetrske tablete, je potrebno zagotoviti dovolj dobro ponovljivost temperaturnega poteka. Hkrati je.zaradi različnih lastnosti posamez- nih- TL materialov potrebno omogočiti izbor različnih časovnih potekov segrevanja (n.pr. predogrevne faze, maksimalne temperature itd.). - Odjemanje svetlobnega signala in pretvarjanje v nape- tost v izjemno širokem področju linearnih svetlobnih odzivov TL materialov (9 dekad). Uporaba fotopomnože- valke kot senzorja daje dobre rezultate, vendar le pri 212 različnih delovnih režimih in dovolj dobri stablliza- ciji le-teh. To zahteva visokostabilni visokonapetost- ni izvor za napajanje, napetostne preklope in termo- statiranje same fotopomnoževalke. - Kalibriranje odjetih vrednosti z referenčnim svetlob- nim virom, kar naj bi zagotavljalo neodvisnost rezul- tatov od morebitnih aprememb režlmov delovanja elemen- tov v merilni verigi. - Upravljanje s celotno merilno aparaturno oprerao, ki sega od priprave meritve (izbor parametrov in režimov meritve), sprotnega (on-line) vodenja samega merilnega procesa, do obdelave odjetih vrednosti, njihovega ovrednotenja po izbrani metodi ter prikaza rezultatov (slika na monitorju, izpis na printerju). REALIZACIJA MERILNIKA Z HIKRORACUNALNIKOM Pokazalo se Je, da lahko mikroračunalnik s svojimi zmog-r ljivostmi pri odjemanju in oddajanju analognlh vrednosti, shranjevanju digitalnih podatkov, računskl obdelavi in prikazu rezultatov, zadovoljivo opravlja vlogo krmilnega elementa v merilniku in izpolnjuje vse naštete zahteve. Pri izdelavi naprave smo se naslonili na doma razviti mikroračunalniški sistem. Zgrajen je modularno z vsemi potrebnimi vmesniškimi funkcijami (ADC, DAC, paralelni/ serijski prenos, paralelni vhodi/izhodi, videoterminal ). Preko sistemskih modulov je mogoče prikljuoiti zunanje pomnilniške enote (digitalna kaseta, gibki disk), kar omogoča delo z večjimi količinami podatkov. Te lastnosti dajejo sistemu veliko fleksibilnost in možnost učinkovi- tega prilagajanja potrebam načrtovalca. V sledečih od- atavkih so opisane osnovne poteze rešitev z mikroraču- nalnikom, ki smo jlh vgradili v merilni sistem za termo- Iuraine3oenčno dozimetrijo izdelan na IJS (slika 2). Regulacija temperature grelca TL teblet Zaprtozančni temperaturni regulator greloa je izveden docela programsko. Mikroračunalnik preko A/D pretvornika v konstantnih časovnih intervalih odjeraa napetost termo- člena. Merilni konec termočlena je pritrjen na grelec, referenčni pa na termostatirano ohišje fotopomnoževalke. Na podlagi znane temperaturno-napetostne odvisnosti upo- rabljanega termočlena, mikroračunalnik sproti izračunava trenutno absolutno temperaturo greloa in shranjuje tem- peraturne vzoroe v pomnilnik. Iz predpisanega časovnega temperaturnega poteka in odjetih temperaturnih vzorcev s pomoojo regulaoijskega algoritma sproti izraounava vred- nosti krmilnih signalov. Preko D/A pretvornika in moč- nostne stopnje z njimi krmili nrač gretja in s tem tempe- raturo greloa (slika 3). Odjem svetlobnega slgnala Mikroračtinalnik odjema vrednosti vzorcev jakosti izseva- ne svetlobe v fiksnih časovnih intervalih preko 12 bit- nega A/D pretvornika z vhodnim obmoojera 0 - 10 V. Da bi lahko izrabili celotno izjemno široko odzivno področje TL materialov, ki segajo od normalnih doz v okolju do akoidentnih, smo razvili tokovno-napetostni pretvornik z nastavljivim ojačanjem in visokonapetostni vir za na- pajanje fotopomnoževalke z nastavljivo izhodno napetost-^ jo. Oba nastavljiva parametra sta pod nadzorom mikrora- čunalnika. Vsakemu merilnemu rangu, ki Je dolooen z oja- čanjem I/U pretvornika in napetostjo na fotopomnoževal- ki, pripada koeficient s katerim mikroračunalnik norml- ra napetost, odjeto preko A/D pretvornika v tem rangu. Tako določi izmerjenemu svetlobnemu vzorcu abaolutno vrednost v skall celotnega merilnega področja instru- menta. Preklapljanje ojaoanja pretvornika in visoke na- petosti omogoča odjemanje svetlobnih signalov v željeno širokem področju, ki ustreza dozam od 5.10 Gy do 5 Gy (7 dekad). Sprotna kallbracija merllnlka Uporaba mikroračunalnika pri vodenju merilnega procesa omogooa odpravo vplivov sprenemb ojačanja in niole (driftov) v merilni verigi na rezultate meritev. Z upo- rabo takoimenovane aprotne digitalne kalibracije je mo- goče oboutno izboljšati karakteristlke merilnika brez uvajanja visokokvalitetnih elektronskih koraponent. Bistvo te metode je v tem, da računalnik pred vsakim merilnim procesom izmčri dve referenčni točki, ki nato služita za kalibracijo vsakega odjetega vzorca (slika 14). Pri tera točnost meritve ni veo odvisria od časovne sta- bilnosti posameznih elementov v tnerilniku (fotopomnože- valka, I/U pretvornik, A/D pretvornik), ampak je popol- noma naslonjena na toonost in stabilnost referenčnega svetlobnega vlra. Zato je njegovi izdelavi posveoena posebna pozornost. Realiziran je kot precizno termosta- tirana LE dioda (patentirano). Upravljanje merilnika Mikroračunalnik preko vgrajene programske opreme vodi celoten proces od izbora željenih parametrov meritve, same meritve, do interpretacije in prikaza rezultatov. Posebej za to izdelan operacijski sistem povezuje posa- mezne programske enote in skrbi za koraunikacijo med operaterjem in aparaturo preko tastature in monitorja. Seatavljajo ga trije nadzorni programi, ki se javljajo vsak preko avojega prikaza na monitorju (slika 5). Nadzorni program TLD je osnovni program s pomočjo kate- rega je mogoč dostop do vseh funkoij sistema. Z njego- vimi ukazi je mogoče po želji definirati merilne para- metre in startati meritev, iz podatkov v pomnilniku po konoani meritvi izrisati graf žarilne krivulje in kri- vulje poteka temperature, sprožiti izračun doze po iz- branera evaluacijskem programu in preslikati sliko z ekrana na papir v tiskalniku. Poleg tega vsebuje nadzor- ni program TLD ukaze za delo s kartotekami, kar omogoča sistemu Izvajanje knjigovodskih Ajnkcij v primeru ru- tinskega dela z veojo količino dozimetrov. Iz tega pro- aparatumi del raer«lnilai programaki del ta vodenje merllnega procesa senzor svetlobnega s^vanja pretvomik odjeoanje svetlobnih vzorcev, kalibrlranje, shranjevanj« izročun, ovrednotenje, prlkaz rezultACov tl 1—1 •*" elektrieni gr-elec ""* tableta knailjenje .-- gretja nočnoatna stopnja • kmlljenje segrevanja odjem vzorcev, lzra£un temperature, shranjevanje predpiaani Saaovni. temperaturni potek 1 pr0gT3C&SKl regulator HR 200 TL ANALYSER I Mfl 800 pCOMPUTEH UNIT CO Slika 1: Koncept TLD Derllnlka Slika 2: Blokovna ateaa temoluBinescentnega merllnlka MR-800 *J^ktrična pecica .-atura" nocnostna stopnja ojačevaliiiic r--iran proces vneaniška elektronika u(k) = u(k-))*K1-e(k)*K2 e(k-1)-e(k) D/A u(k) programskl regulator A/D izračun trenutne t«aperature it izmerjene napetostl izračun predpisane teoperature progronska rcguladja tenperature dejanaka (upoštevana) svetlobna jakost vljena vrednost eTČna lzraourvina j^kost vzore* REFSN izmerjenl "teml siRnfll11 brez prisotnostl svetlobe REFSI 1 S izmerjena Izoerjena svetlobna svetlobns Jakost Jakoat referenčne LED vzorca v iarilnl Icrivulji izjnerjena svetlobna Jakoat Sliks 3: Shena regulacije tenperature pecie« Siika 1: Prinoip aprotne kallbracije i2nerjenlh vzorcev 214 Mttral pi - Oela • te CLAVHI ntvuz MTltV« ranja ln prlku mulUte* Uakalnlk MtOttkMd •eocrtnl MMornl - 4*rinirm CT*t> e • brUMj* PtaoŽnl nt&oral pr«{r*» S TID * Cl E • • N m ii •• IO 10 91« III M • c Nl Nl 1 il IM V «-. O grama je z ukazom mogoč prehod na oba pomožna nadzorna programa. Pomožni nadzorni program STLD deluje preko E-prikaza, ki kaže tabelo evaluacijskih programov, po katerih računalnik lahko ovredsoti žariino krivuljo. Z ukazi pomožnega nadzornega programa STLD je mogoče po željl definirati parametre petnajstih evaluaoijskih programov. Preko glavnega prikaza jih lahko nato operater vključu- Je v obdelavo rezultatov razlionih ali ene in iste me- ritve. Pomožni nadzorni program HTLD deluje preko T-prikaza, ki prikazuje' tabelo temperaturnih programov, po katerih ra- čunalnik med meritvijo krmili segrevanje dozimetrske ta- blete. Parametrl temperaturnega programa, ki Jih je mo- goče nastaviti a pomoojo tastature, določajo časovni po- tek temperature merjene tablete. Z ukazi nadzornega pro- grama Je možno definirati do sedem grelnih programov. ZAKLJUČEK Lastnosti.zmogljivosti in možnosti mikroračunalnika pri snovanju in realizaciji opisanega procesno-merilnega sistema so se izkazale kot bistvene. Le z računalniško zmogljivo enoto je bilo mogoče v napravi združiti proce. sno vodenje merilnega postopka s sprotnim kalibriranjem izmerjenih vzorcev, računsko obdelavo merjenih vrednosti in njihov prikaz. Komunikaoija med napravo in uporabni- kom preko^terminala je učinkovita in preprosta, saj so z ukazi operacijskega sistema hitro doaegljive vse Aink- oije merilnika. Hkrati daje uporabniku raožnost vpliva na široko paleto parametrov meritve, obdelave in ovrednote- nja rezultatov ter njihovega prikaza. Zasnova programske opreme daje napravi Iastno3ti, ki omogočajo tako rutin- sko delo brez potrebe po globjem poznavanju principov TL dozimetrije, kot laboratorijsko raziskovalno delo 3 TL materiali, zlasti z možnostjo analize žarilnih kri- vulj s pomočjo gibljivega markerja in nastavljanja raz- ličnih ključnih parametrov prooesa. Brez dvoma bi bile s klasičnimi (neračunalniškimi) priatopi k izgradnji raerilnika take karakteriatlke nedosegljive. Večmesečno testiranje MR-200 TL analizatorja je pokazalo upravičenost zaatavljenega konoepta in potrdilo prioako- vanja. Seveda pa se s tera odpirajo nove zahteve, ki jih zasnova naprave podpira. Ena prvih je morda avtomatska menjava merjenih dozimetrov in čitanje imen nosiloev preko identifikaoijskih števil vkodiranih na ohišjih do- zimetrov (črtasta koda). Delo na teh področjih nas čaka v naslednjem obdobju.