УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИСТОЧНИК ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ДВУМ КООРДИНАТАМ В ТЕЛЕСНОМ УГЛЕ 2π СТЕРАДИАН
DEVICE FOR DETERMINING DIRECTION OF GAMMA RADIATION SOURCE ON TWO COORDINATES IN SOLID ANGLE OF 2π STERADIAN

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при радиационном мониторинге в качестве средства поиска и определения направления на источник гамма-излучения по двум координатам (азимутальному и полярному углу) в телесном угле 2π стерадиан.
Известно «Устройство для поиска и измерения двух угловых координат фотонных источников» [1]. Устройство содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в виде сферы с ортогональными пазами, в которых размещены многоэлементные детекторы, соединенные с блоком электроники. Ортогональное расположение многоэлементных детекторов позволяет определять две угловые координаты источника излучения. Недостатками устройства являются относительно низкая обнаружительная способность, связанная с малой площадью пазов по сравнению с площадью всей сферы, а также ограниченная зона зрения по каждой угловой координате за счет использования коллимации.
Известно устройство «Gamma ray incident direction detector (детектор для определения направления падения гамма-излучения)» [2]. Устройство содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в виде сферы с отверстиями в ее поверхности (25 отверстий), в которых размещены детекторы, соединенные со схемой обработки. Колоколообразные диаграммы направленности, формирующиеся экраном для каждого детектора, позволяют определять направление на источник излучения в телесном угле 4π стерадиан. Недостатками устройства являются низкая обнаружительная способность, связанная с малой площадью отверстий, в которых располагаются детекторы, по сравнению с общей площадью поверхности сферы, а также невысокая интегральная чувствительность устройства за счет заглубления детекторов в защитном экране.
Известно «Устройство для поиска фотонных источников» [3]. Устройство содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в форме цилиндра, многоэлементный детектор, расположенный на боковой поверхности экрана, и схему обработки, соединенную с детекторами. Полученное с элементов детектора распределение сигналов, зависящее от углового положения источника и чувствительного элемента, сравнивается со значениями нормированных угловых характеристик каждого элемента. По результатам сравнения делается вывод о положении источника в азимутальной плоскости. Недостатком устройства является определение направления на источник излучения только по одной угловой координате - азимутальной.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство для определения местоположения источника гамма-излучения» [4]. Устройство содержит два идентичных сцинтилляционных детектора с предварительно выровненными счетными эффективностями регистрации, разделенных защитным экраном в виде параллелепипеда, обеспечивающим эффективное поглощение гамма-излучения в выбранном энергетическом диапазоне, форма и размеры которого, а также расстояние между детекторами выбраны исходя из заданной диаграммы направленности регистрации устройства. Устройство снабжено измерителем разности скоростей счета сцинтилляционных детекторов. Информация о местоположении источника гамма-излучения выделяется по разности скоростей счета двух детекторов, которая чувствительна к взаимной ориентации оси устройства и направления на источник.
В рабочем положении устройства детекторы ориентированы боковой поверхностью на источник гамма-излучения, открытые торцы сцинтилляторов - вниз, торцы сцинтилляторов, оптически связанные с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), - вверх. В этом положении устройство обладает диаграммой направленности регистрации, позволяющей определять направление (азимут) на источник. Дополнительные возможности устройства связаны с наличием диаграмм направленности регистрации по полярному углу, т.е. в плоскости, проходящей через ось устройства и перпендикулярной земной поверхности. В этой плоскости поток гамма-излучения падает на боковую поверхность и на открытый торец первого сцинтиллятора и на открытый торец второго сцинтиллятора, который расположен за экраном.
Недостатком устройства является ограниченная зона обзора по полярному углу, включающая только нижнюю полуплоскость, так как в этом случае работает лишь нижняя торцевая поверхность детектора, в то время как верхняя торцевая поверхность закрыта фотоэлектронным умножителем.
Общим недостатком данного устройства и устройств, перечисленных выше, является использование материала с большим атомным номером в качестве защитного экрана для формирования диаграммы направленности. Это затрудняет использование таких устройств в качестве портативных носимых приборов при радиационном мониторинге вследствие большого веса.
Целью изобретения является увеличение диапазона измерения направления на источник излучения по двум координатам до телесного угла 2π стерадиан (вся передняя полусфера) и уменьшение веса устройства.
Предложено устройство для определения направления на источник гамма-излучения (1) по двум координатам в телесном угле 2π  стерадиан, схема которого представлена на фиг. 1.
Устройство содержит видеокамеру (2), корпус (3), защитный экран (4), преобразователь высоковольтный (5), детекторную сборку (6), контроллер (7), дисплей (8), модуль согласования (9) и блок аккумуляторный (10).
Выходы четырехканального преобразователя высоковольтного, обеспечивающего электропитание сцинтилляционных счетчиков, подключены к четырем входам детекторной сборки. Четыре выхода детекторной сборки подключены к аналоговым входам четырехканального контроллера. Четыре аналоговых выхода контроллера подключены к входам преобразователя высоковольтного для установки его выходных напряжений. Выход контроллера подключен к входу модуля согласования для передачи накопленной счетчиками информации. Модуль согласования подключен к входу дисплея и выходу видеокамеры и управляет их работой. Питание устройства осуществляется от блока аккумуляторного, выходы которого подключены к входу модуля согласования и входу преобразователя высоковольтного. Все компоненты устройства размещены в одном корпусе.
Размещение детекторной сборки относительно защитного экрана представлено на фиг. 2. Детекторная сборка состоит из четырех однотипных счетчиков сцинтилляционных, представляющих собой четыре сцинтилляционных кристалла цилиндрической формы (11) и четыре фотоэлектронных умножителя (12). Защитный экран состоит из перекрещивающихся прямоугольных пластин (13), между которыми установлены сцинтилляционные кристаллы боковыми поверхностями к пластинам, и фронтальной квадратной пластины (14), расположенной со стороны торцевой поверхности кристаллов, обращенных к источнику излучения. К противоположной торцевой поверхности кристаллов присоединены четыре фотоэлектронных умножителя.
Отличием от прототипа является расположение сцинтилляционных кристаллов торцевыми поверхностями по направлению к источнику, выполнение защитного экрана в виде сборной конструкции из перекрещенных прямоугольных пластин и фронтальной квадратной пластины, причем фронтальная пластина закрывает половину торцевых площадей сцинтилляционных кристаллов, обращенных к источнику излучения, а также использование для изготовления защитного экрана материала с малым атомным номером (например, железо или титан).
Расчет геометрических размеров защитного экрана, в том числе и выбор материала для его изготовления, а также расположение детекторной сборки относительно экрана проводился в программе имитационного трехмерного моделирования систем детектирования и регистрации ионизирующего излучения МСС 3D (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2008615088 от 22.10.2008, свидетельство о метрологической аттестации программы №С-2101-001 от 27.11.07 в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»). В данной программе была создана модель устройства, представленная на фиг. 3. В качестве сцинтилляторов были выбраны кристаллы NaI(T1), которые состыковывались с фотоэлектронными умножителями, выводы которых подключались к блоку электроники.
В программе МСС 3D для указанной модели были произведены расчеты функции отклика устройства на локальный источник гамма-излучения. Функция отклика устройства представляет собой отношение разности сигналов двух противоположных сцинтилляционных счетчиков к их сумме в зависимости от угла падения гамма-излучения и используется для вычисления угловых координат источника излучения в азимутальной и полярной плоскости. В данном случае под сигналом со счетчика имеется в виду количество зарегистрированных гамма-квантов за единицу времени. Очевидно, что для обеспечения зоны измерения устройства, равной 2π стерадиан, функция отклика должна быть гладкой и монотонной в диапазоне измеряемых углов от минус 90° до плюс 90° в обеих плоскостях и каждому значению угла должно соответствовать только одно значение функции отклика.
Целью моделирования функции отклика было определение оптимального размера кристаллов, защитного экрана и их взаимного расположения, а также выбор материала исполнения защитного экрана. Совокупность перечисленных параметров должна обеспечивать однозначное определение направления на источник излучения по двум координатам в зоне измерения устройства, равной 2π стерадиан.
2
4
2
4
1
3
1
3
Измерение азимутального и полярного угла производилось по двум отдельным идентичным угломерным парам, схематично представленным на фиг. 2, вид «сзади». Направление на источник в азимутальной плоскости определяется углом φ, который вычисляется по значению скоростей счета со счетчиков №2 и №4 как отношение разности сигналов счетчиков к их сумме (n-n)/(n+n). Направление на источник в вертикальной плоскости определяется углом θ, который вычисляется по значению скоростей счета со счетчиков №1 и №3 как отношение разности сигналов счетчиков к их сумме (n-n)/(n+n).
γ
γ
γ
Диаметр сцинтилляционного кристалла был принят равным 25 мм, варьировалась его длина (от 25 до 31 мм). Варьировалось также расстояние от фронтальной пластины до сцинтиллятора (от 5 до 10 мм), размеры и толщина квадратной фронтальной пластины и прямоугольных перекрещивающихся пластин (от 5 до 10 мм), материал защитных экранов (вольфрамовый сплав, железо, титан) и энергия источника гамма-излучения. Использовались источники Ba-133 (E=350 кэВ), Cs-137 (E=661 кэВ), Co-60 (E=1,95 МэВ).
В результате моделирования в программе МСС 3D были получены оптимальные параметры конструкции устройства. Расчеты показали, что для определения направления на источник излучения по двум координатам в телесном угле 2π стерадиан для изготовления защитного экрана необходимо использовать материал с относительно малым атомным числом и удельным весом (железо, титан), в отличие от используемых в прототипе и других детекторных устройствах материалов с большим атомным номером (вольфрам, свинец).
На фиг. 4 показаны зависимости функции отклика устройства от угла падения гамма-излучения в зависимости от энергии источника гамма-излучения, полученные в результате расчетов по математической модели устройства детектирования в программной среде МСС 3D. В качестве материала для защитного экрана и фронтальной пластины использовался титан. На оси абсцисс отложены значения азимутального угла φ в диапазоне от минус 90° до плюс 90°, на оси ординат - функция отклика устройства, представляющая собой отношение разностного сигнала счетчиков сцинтилляционных к их сумме. Из представленных зависимостей следует, что данное отношение представляет собой гладкую монотонную функцию, где каждому значению угла соответствует одно значение функции отклика. Это позволяет говорить о том, что в диапазоне углов от минус 90° до плюс 90°, вычислив отношение разностного сигнала счетчиков к их сумме, мы получим значение, однозначно связанное с азимутальным углом φ (или, в силу симметрии конструкции, с полярным углом θ в другой плоскости).
Также из представленных зависимостей видно, что функция отклика имеет различный вид для разных энергий гамма-квантов. Следовательно, перед вычислением значения угла необходимо провести процедуру идентификации источника излучения и использовать соответствующую ему функцию отклика.
Для сравнения на фиг. 5 приведены графики зависимости отношения разностного сигнала счетчиков к их сумме, когда в качестве материала для защитных экранов применялся вольфрам. Для всех энергий гамма-излучения в диапазоне углов больше 60° на представленных зависимостях наблюдается неоднозначность, когда одно значение функции отклика попадает в целый диапазон азимутальных углов φ вследствие «загиба» функции. Причина такой неоднозначности в том, что изготовление экрана из тяжелого материала с большим атомным номером (вольфрам, свинец или уран) приводит к потере полезной информации при углах падения больше гамма-излучения более 60° вследствие практически полного экранирования сцинтиллятора от гамма-излучения материалом защиты. Уменьшение толщины защиты не решает данной проблемы, так как приводит к сильному искажению функции отклика, при этом по-прежнему сохраняется непрозрачность экрана для низких энергий гамма-излучения. Применение защиты из более легких материалов в представленном устройстве позволяет части гамма-излучения проникать через экран и формировать функцию отклика таким образом, чтобы каждому значению функции соответствовало одно значение угла. В данном случае не происходит потери информации о положении источника при углах падения излучения более 60° по причине экранирования излучения материалом защиты, что позволяет однозначно определять угловую координату источника по функции отклика.
Расположение счетчиков сцинтилляционных торцевой поверхностью к источнику, выполнение защитного экрана в виде сборной конструкции из перекрещивающихся прямоугольных пластин и фронтальной пластины, а также изготовление защитного экрана из материала с малым атомным номером (железо или титан) позволяет не только обеспечить зону измерения в 2π стерадиан, но и снизить вес устройства по сравнению с аналогами и прототипом, где применяется защитный экран, изготовленный из тяжелых материалов с большим атомным номером.
Из приведенного описания можно сделать вывод, что совокупность отличительных признаков устройства является необходимым и достаточным условием для выполнения поставленной задачи.
Устройство работает следующим образом.
Гамма-кванты от источника излучения могут взаимодействовать как с материалом защитного экрана, при этом теряя свою энергию или полностью поглощаясь в нем, так и напрямую попадать в сцинтилляционный кристалл. Попадание гамма-квантов в кристалл вызывает в нем световые вспышки. Световые вспышки фотоэлектронным умножителем преобразовываются в импульсы тока, которые поступают на вход контроллера, где производится их подсчет. Питание фотоэлектронных умножителей обеспечивается преобразователем высоковольтным, который преобразовывает входное напряжение от аккумуляторов в напряжение, необходимое для питания ФЭУ. Контроллер имеет возможность варьировать величину напряжения электропитания фотоэлектронных умножителей для стабилизации шкалы энергетического преобразования. Информация о количестве зарегистрированных гамма-квантов каждым сцинтилляционным счетчиком из детекторной сборки передается в модуль согласования. В модуле согласования определяется величина отношения разностного сигнала противоположных счетчиков к их сумме и определяется угловая координата источника гамма-излучения согласно функции отклика, приведенной на фиг.4, как в азимутальной, так и в полярной плоскости.
Одновременно с регистрацией гамма-излучения и вычисления координат источника в модуль согласования с видеокамеры поступает видеоизображение исследуемого участка местности, на которое накладывается вычисленное положение источника гамма-излучения в координатах устройства в виде метки. Совмещенное изображение от модуля согласования передается для отображения на дисплей, расположенный на корпусе устройства. Управление работой устройства осуществляется при помощи сенсорного экрана дисплея, подключенного к модулю согласования. Питание устройства осуществляется от блока аккумуляторов через модуль согласования для питания контроллера, видеокамеры и дисплея, а также через преобразователь высоковольтный для питания сцинтилляционных детекторов.
Устройство может дополнительно содержать модуль Wi-Fi для беспроводной передачи данных на удаленный пульт управления.
Дополнительным преимуществом применения сцинтилляторов является возможность реализации спектрометрического режима для подсчета зарегистрированных гамма-квантов не по всему спектру гамма-излучения, а только в энергетическом окне, соответствующем пику полного поглощения. Кроме решения задачи идентификации источника повышается его вероятность обнаружения, так как скорость счета от фонового излучения в таких энергетических окнах минимальна.
Источники информации
1. Патент на изобретение №2192656 РФ, МПК G01T 1/29. Устройство для поиска и измерения двух угловых координат фотонных источников / Володина В.Л., Демченков В.П., Ольков М.С. и др.; Заявитель и патентообладатель - Федеральное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики», №2001102994/28, заявл. 31.01.2001; опубл. 10.11.2002.
2. Патент на изобретение JP №2004170116, Япония, МПК G01T 1/20, G01T 1/24, G01T 1/29. Gamma ray incident direction detector / Fujimoto Kenzo; Заявитель и патентообладатель - NAT INST RADIOLOG, JP №20020333474, заявл. 18.11.2002, опубл. 17.06.2004.
3. Патент на изобретение №2012016 РФ, МПК G01T 1/16. Устройство для поиска фотонных источников / Володина В.Л., Демченков В.П., Клочко P.C. и др.; Заявитель и патентообладатель - Володина В.Л., Демченков В.П., Клочко P.C. и др., №4949437/25, заявл. 17.06.1991, опубл. 30.04.1994.
4. Патент на изобретение №2068184 РФ, МПК G01T 1/29. Устройство для определения местоположения источника гамма-излучения / Волков Д.Α., Левон А.И.; Заявитель и патентообладатель - Институт ядерных исследований АН Украины, №4929838/25, заявл. 19.04.1991, опубл. 20.10.1996.