СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЕЙ ДЕТЕКТОРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕСТКОГО ГАММА- ИЛИ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF CALIBRATING RELATIVE SENSITIVITIES OF DETECTORS FOR DETECTING CHARACTERISTICS OF HARD GAMMA- AND DECELERATION RADIATION

w
Предлагаемое изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для регистрации гамма- или тормозного излучения (ТИ) мощных импульсных источников, например, типа линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 [1. Пунин В.Т., Савченко В.А., Завьялов Н.В., Гордеев B.C., Герасимов А.И., Смирнов И.Г., Воинов М.А., Кошелев А.С., Кувшинов М.И. Мощные линейные индукционные ускорители электронов и облучательные комплексы на их основе для радиационных исследований. ВАНТ. Серия ФРВРЭА, 2000, №3-4, с.95-99] с целью определения характеристик излучения. К характеристикам гамма-излучения или ТИ, в частности, относятся [2. Методические указания. Внедрение и применение ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин" в области ионизирующих излучений. РД 50-454-84. М.: Издательство стандартов, 1984]: Ф - флюенс энергии квантов; Ф - флюенс квантов, φ(E) - энергетическая плотность потока квантов излучения - спектр квантов,  - средняя энергия квантов за импульс. Для регистрации излучений от источников типа ЛИУ-30 используются импульсные токовые детекторы. Актуальной задачей является повышение точности определения характеристик ТИ.
Для обозначения проблематики сделаем предварительные пояснения, касающиеся терминологии в характеристиках детекторов и определения спектрометрических характеристик излучения.
- Спектральной характеристикой (СХ) детектора называется зависимость чувствительности детектора η(E) от энергии частиц излучения [3. Веретенников А.И., Горбачев В.М., Предеин Б.А. Методы исследования импульсных излучений. М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.9], в данном случае гамма-квантов или квантов ТИ.
w
- При регистрации излучения высокой интенсивности детекторы не различают отдельные кванты, а регистрируют импульс излучения в целом. Спектрометрические характеристики гамма- или тормозного излучения φ(E),  мощных источников могут определяться, в частности, на основе использования набора или системы детекторов с различными СХ. При определении спектрометрических характеристик квантов излучения может использоваться, в частности, интегральное уравнение Фредгольма [3, стр.109], в котором используются СХ произвольного вида. Другим методом является использование набора детекторов, СХ которых представляются в линейном виде [4. Пат. 2317571 РФ, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения мощных импульсных источников и система для его осуществления / Н.К.Миронов, С.А.Лазарев, А.В.Грунин, П.И.Фролов // Бюллетень изобретений. 20.02.2008. №5], [5. Миронов Н.К., Лазарев С.А., Грунин А.В., Залялов А.Н. Измерение средней энергии квантов тормозного излучения ускорителя ЛИУ-30 методом детекторов с линейными спектральными характеристиками // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», вып.15, 2010 г.]. Спектрометрические характеристики квантов φ(Е),  определяются на основе относительных откликов детекторов. Характеристики Ф, Ф определяются на основе абсолютных откликов детекторов. Физические способы получения набора детекторов с отличающимися СХ могут быть различными.
2
- Важным этапом измерения характеристик излучений является проведение градуировки чувствительностей набора детекторов. Градуировка может быть абсолютной, при этом чувствительность детекторов определяется в абсолютных единицах, например A·cм·с/кв. Для проведения абсолютной градуировки должен использоваться эталонный источник излучения с известной плотностью потока в месте установки детекторов. Градуировка может быть также относительной, то есть чувствительности детекторов определяются относительно друг друга. Для определения спектрометрических характеристик гамма-квантов или квантов ТИ достаточно определять относительные чувствительности детекторов, при этом знание абсолютного выхода градуировочного источника необязательно.
Цель данного предложения - разработка способов относительной градуировки набора детекторов, предназначенных для спектрометрических измерений излучений мощных импульсных источников.
Существует способ-аналог [3, стр.128] градуировки одинаковых детекторов с помощью импульсного источника непрерывного спектра. Импульсный источник обеспечивает более высокий уровень токов с детекторов. Недостатком данного способа градуировки в случае незнания или неточного знания спектра источника, который может быть также переменным, является возможность градуировки только одинаковых детекторов, с одинаковыми СХ.
Существует способ-аналог импульсной относительной градуировки чувствительности детекторов с помощью импульсного источника непрерывного спектра в методе поглощающих фильтров - МПФ [6. Результаты измерений спектра тормозного излучения моделирующей установки ЛИУ-10М методом поглощающих фильтров. Донской Е.Н, Крылевский Е.Н., Лазарев С.А, Лебедев Б.Л, Мысков Г.А., Филиппов В.О. VII Конференция по радиационной стойкости, Снежинск, 2004, с.164-171]. В данном методе МПФ используется набор одинаковых сцинтилляционных детекторов, перед которыми ставятся разные фильтры. За счет этого СХ детекторов в рабочем состоянии системы являются разными.
Данная система существует в двух состояниях: рабочем и градуировочном. В обычном состоянии с разными фильтрами система является рабочей, измерительной. При проведении градуировки измерительная система детекторов переводится из рабочего состояния в градуировочное состояние. Для этого в систему детекторов вносятся изменения - фильтры делаются одинаковыми, либо их удаляют совсем. Тем самым СХ детекторов при проведении градуировки являются полностью идентичными. Это означает постоянство отношения
Близким способом градуировки является способ-аналог градуировки в методике конверторов [7. Пат. 2297647 РФ, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ определения характеристик жесткого гамма-излучения мощных импульсных источников / В.Н.Антонов, В.И.Семенов, А.Е.Шмаров // Бюллетень изобретений. 20.04.2007. №11]. При проведении градуировки перед детекторами ставится одинаковый конвертор.
Системы детекторов [6, 7] при проведении градуировки располагаются на своих рабочих местах, а для градуировки используется измеряемый источник. По окончании градуировки системы переводятся обратно в рабочее измерительное состояние.
Существенной особенностью данных градуировок является то, что при переводе систем в градуировочное состояние сохраняются неизменными оптические контакты сцинтилляторов с фотоприемниками. Это обеспечивает сохранность процессов образования света в сцинтилляторах и далее импульса тока в фотоприемниках. Собственно, при проведении градуировки главной целью является экспериментальное измерение цепочки процессов, состоящей в образовании световыхода сцинтиллятора и импульса тока в фотоприемнике, вызываемого светом. Эта цепочка не может быть определена расчетно. Выход света в сцинтилляторах и СХ детекторов в целом определяются поглощенной энергией в сцинтилляторах. Поглощенные энергии в сцинтилляторах в рабочем и градуировочном состояниях систем, определяемых наличием или отсутствием фильтров, достаточно точно рассчитываются по методу Монте-Карло [8. Донской Е.Н. Методика и программа ЭЛИЗА решения методом Монте-Карло задач совместного переноса γ-излучения, электронов и позитронов // ВАНТ. Сер. Математическое моделирование физических процессов. - 1993. - Вып.1. - С.3-6]. Чувствительности детекторов в рабочем состоянии определяются на основе экспериментальной градуировки системы в градуировочном состоянии и расчетов СХ в рабочем состоянии.
Спектр источника импульсного излучения может быть неизвестен либо известен недостаточно точно. Импульсный источник может работать в разных режимах с разными спектрами ТИ. Однако это обстоятельство не влияет на результат градуировки в случае одинаковых детекторов. Недостатком способов-аналогов [6, 7] с использованием источника с непрерывным спектром является возможность градуировки только одинаковых детекторов. При этом в рабочей системе делается только одно и очевидное изменение - перед детекторами устанавливаются фильтры или конверторы одинаковой толщины, либо фильтры или конверторы удаляются совсем, что приводит к идентичности детекторов.
Система детекторов для спектрометрических измерений может состоять из детекторов разного типа. Это могут быть детекторы, использующие разный физический принцип регистрации, например ионизационные детекторы и черенковские детекторы. Также под детекторами разного типа понимаются детекторы, использующие один принцип регистрации, но разные материалы чувствительного элемента. Например, сцинтилляционные детекторы могут иметь сцинтиллятор на основе полистирола или NaI(Tl). Детекторы в системе могут работать как независимо, так и с взаимным влиянием. Основным признаком системы детекторов разного типа являются различные СХ, которые не могут быть приведены в идентичное состояние.
Другим примером системы детекторов различного типа является спектрометрическая система [4] для определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения. В этой системе различие СХ детекторов обусловлено различным положением детекторов относительно конвертора и регистрацией ими различных излучений. Детекторы регистрируют прямое излучение, рассеянные гамма-кванты и вторичные заряженные частицы.
Система содержит следующий за источником излучения коллиматор с отверстием, расположенные в зоне за коллиматором основной детектор и дополнительный детектор с фильтром, вдоль оси отверстия коллиматора за ним расположены конвертор излучения и основной детектор. Основной или первый детектор расположен в свету отверстия коллиматора и регистрирует прямой поток излучения. Конвертор образован чувствительным элементом основного детектора и размещенным перед ним слоем материала с толщиной, обеспечивающей получение СХ заданного вида.
В конкретном случае чувствительный элемент - сцинтиллятор первого детектора расположен в прямом потоке излучения квантов источника излучения напротив отверстия в коллиматоре. Перед сцинтиллятором детектора установлен диск из алюминия. Этот элемент детектора назван слоем материала. Слой из алюминия и сцинтиллятор первого детектора образуют в данном случае конвертор, на котором кванты рассеиваются и попадают на второй детектор.
i
Второй (или третий) детекторы устанавливаются за бетонной стеной (коллиматором) вне пятна отверстия в области регистрации конвертированного излучения каждый под определенным углом θ к оси отверстия коллиматора, что обеспечивает регистрацию конвертированного излучения и исключает воздействие первичного излучения на эти детекторы. Угол θ, образуемый осью отверстия коллиматора и линией вдоль направления, соединяющего конвертор и данный детектор, и соответствующий углу вылета конвертированного излучения, регистрируемого детектором, называется также углом установки детектора.
1
2
п
кф
к
к
кф
Используется два типа обозначений детекторов. Первый тип - формальная нумерация детекторов по номеру в системе - Д, Д и т.д. Второй тип обозначений связан с физическим местом детектора при регистрации прямого или конвертированного излучения. Это следующие обозначения: Д - детектор прямого потока излучения с конвертирующими слоями, одновременно являющийся первым и основным детектором; Д - детектор конвертированного излучения с фильтром; Д - детектор конвертированного излучения без фильтра. Детекторы Д, Д одновременно являются вторыми, третьими и т.д.
n
В конкретной реализации метода использованы сцинтилляционные детекторы с чувствительным элементом в виде сцинтиллятора на основе полистирола (химический состав (CH)) и фотоприемников. Каждый из упомянутых детекторов характеризуется откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения. СХ детекторов определяются расчетами по программам Монте-Карло [8]. В [4, 5] проведены результаты расчетных исследований зависимостей СХ детекторов от различных элементов системы: слоя конвертора-детектора, угла установки второго детектора, толщины фильтра второго детектора и т.д.
2
1
Вид сечений взаимодействия приводит к тому, что СХ второго детектора по отношению к первичному излучению ТИ существенно изменяются в сравнении с CX первого детектора. Данный набор детекторов представляет собой набор детекторов разного физического типа.
Описанные системы детекторов различного физического типа могут градуироваться на изотопных источниках излучения.
Существует способ-прототип абсолютной и относительной градуировки детекторов на эталонном изотопном источнике Co-60 [9. Матвеев В.В., Хазанов Б.И. Приборы для измерений ионизирующих излучений. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, с.30-32, 1972 г.] с дискретным значением энергии квантов, равным в среднем 1,25 МэВ. Существует изотопная установка Эталон-3 с изотопом Co-60 из состава вторичного эталона ВЭТ 8-12-91. На установке с изотопным источником Co-60 возможна градуировка как набора детекторов одного, так и разного типов. Способ состоит в осуществлении регистрации токов с детекторов при воздействии источника излучения, проведении сквозных расчетов процессов, возникающих в результате воздействия излучения на чувствительные элементы детекторов, проведении обработки результатов регистрации и определении коэффициентов относительных чувствительностей детекторов.
8
Однако способ градуировки на изотопном источнике Co-60 имеет следующие недостатки. Во-первых, недостатком градуировки является статический характер излучения, что требует перестройки схемы регистрации с импульсного режима на статический. При этом как правило используется регистраторы другого типа (не рабочие) для измерения статических токов с детекторов. Градуировка на изотопном источнике Co-60 невозможна в случае использования схем суммирования информации [10. Пат. 2383034 РФ, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ регистрации характеристик тормозного или гамма-излучения мощных импульсных источников и устройство для его осуществления / Н.К.Миронов, С.А.Лазарев, П.И.Фролов // Бюллетень изобретений. 27.02.2010. №6]. Другим недостатком данного способа являются низкие уровни плотностей потоков и мощностей доз, получаемых на изотопных источниках. Проведение градуировки наборов детекторов, предназначенных для измерений доз на ЛИУ-30, затруднительно с помощью изотопных установок. Так, например, мощность дозы от источника активностью в 10 Ки на расстоянии 70 см составляет примерно 15 мР/с. Это на много порядков меньше мощностей доз, получаемых на ЛИУ-30. (Например, при интегральной дозе излучения от ЛИУ-30 в 2 Р в импульсе длительностью 20 нс мощность дозы составляет ~10 Р/с.) При работе с нано- или микроамперными токами проявляется влияние темновых токов с детекторов, которые нужно вычитать из измеряемых токов.
Изотопные источники активностью десятки Ки представляют собой стационарные установки, работа на которых требует повышенных мер безопасности. Спектрометрический набор детекторов может реализовываться в виде пространственных систем, снабженных защитой от рассеянного фона. Градуировка спектрометрических систем на установках с изотопным источником Co-60 требует переноса и воспроизведения таких систем, в том числе, вместе с системой коллимацией излучения и свинцовой защитой, с проведением юстировки и т.д. Этот процесс является достаточно трудоемким и может внести дополнительную погрешность при отличии геометрии измерений и градуировки. Также требуется частичный перенос аппаратуры, например источников питания детекторов, или тщательный контроль напряжения питания на существующих на установке источниках питания.
Задача состоит в том, чтобы усовершенствовать способ градуировки с учетом его применимости к системам детекторов разного типа.
Техническим результатом является упрощение процесса градуировки, возможность использования схемы суммирования информации.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа градуировки относительных чувствительностей системы детекторов различного типа с различными спектральными характеристиками (СХ), предназначенных для регистрации характеристик жесткого гамма- или тормозного излучения,
заключающегося в том, что
- осуществляют регистрацию токов с детекторов, возникающих при срабатывании источника излучения,
- проводят сквозной расчет процессов, связанных с воздействием излучения на чувствительные элементы детекторов,
- производят обработку результатов регистрации
и при этом определяют коэффициенты относительных чувствительностей детекторов, в предложенном способе
- градуировку проводят непосредственно в рабочей редакции измерений,
- в качестве градуировочного источника излучения используют импульсный источник излучения с непрерывным спектром,
- осуществляют выравнивание наклонов СХ детекторов с использованием комбинации изменений в системе детекторов, относящихся к прохождению излучения до чувствительных элементов,
- выравнивание наклонов СХ детекторов осуществляют на энергетическом диапазоне, содержащем основной спектр квантов импульсного источника при сохранении установки системы детекторов в заданной рабочей геометрии измерений с обеспечением сохранности цепочки преобразования процессов в чувствительном элементе в выходной ток с детектора,
- определение требуемых изменений в СХ детекторов осуществляют на основе проведения сквозных расчетов распространения и поглощения излучений, в том числе методом Монте-Карло, в изменяемой системе,
- при этом находят совокупный набор изменений в системе детекторов,
- по результатам расчетов вводят конкретные изменения в систему детекторов,
- осуществляют регистрацию токов с детекторов, возникающих при срабатывании импульсного источника излучения с использованием рабочих регистраторов, источников питания и в целом рабочей схемы измерений,
- на основе которых производят обработку результатов регистрации и
- определяют коэффициенты относительных чувствительностей детекторов.
Способ градуировки может отличаться тем, что выравнивание СХ производят при наличии взаимозависимого влияния между детекторами в формировании СХ.
При этом в качестве параметров изменений выбраны изменение конструкции и материалов детекторов, разворот детекторов, изменение взаимной пространственной ориентации детекторов.
В частности, способ градуировки может отличаться тем, что использована система детекторов, в которой различие детекторов обусловлено их положением относительно коллиматора и конвертора и регистрацией ими прямого или конвертированного излучения, состоящая из первого детектора, расположенного в свету отверстия коллиматора в прямом потоке излучения и элементы которого - слой материала и чувствительный элемент являются одновременно конвертором для второго детектора, имеющего установленный перед ним фильтр, расположенного вне отверстия коллиматора и регистрирующего рассеянное и вторичное излучение с конвертора под определенным углом (углом установки) к направлению первичного излучения.
При этом может быть выбрана система детекторов такого физического типа, что их отклики обусловлены энергией излучений, поглощенной в чувствительных элементах.
В частности, в качестве детекторов в такой системе могут использоваться сцинтилляционные детекторы со сцинтилляторами на основе полистирола.
В общем случае в вышеописанной системе выравнивание СХ детекторов может производиться с помощью разворота детекторов прямого потока, изменения состава слоев, изменения угла установки второго детектора, изменения фильтра второго детектора.
В качестве градуировочного источника излучения в способе может использоваться импульсный источник жесткого гамма- или тормозного излучения.
В частности, в этом случае в способе градуировки источником жесткого излучения может быть измеряемый рабочий источник ЛИУ-30.
Способ градуировки может отличаться тем, что для выравнивания СХ угол установки второго детектора уменьшается и уменьшается толщина его фильтра.
Способ может отличаться тем, что угол установки второго детектора составляет 45°, а толщина фильтра составляет 10-12 мм.
Способ градуировки может отличаться тем, что для выравнивания СХ в конверторе - первом детекторе устанавливается слой из тяжелого материала, а у второго детектора уменьшается толщина фильтра.
При этом способ может отличаться тем, что в качестве тяжелого материала слоя используется железо в виде кольца или диска толщиной 20-25 мм, толщина фильтра составляет 5 мм, а угол установки второго детектора составляет 90°.
Способ градуировки может отличаться тем, что в качестве градуировочного источника излучения используется импульсный источник мягкого гамма- или тормозного излучения, дополнительно установленный на оси коллиматора перед ним.
При этом источником мягкого импульсного излучения при проведении градуировки является малогабаритный ускоритель электронов Аргумент-1000.
В частности, в данном случае в способе градуировки для выравнивания СХ слой первого детектора берется минимальной толщины, а угол установки второго детектора составляет 45°.
Таким образом, предлагаются способы градуировки систем детекторов различного типа с помощью импульсных источников с непрерывным спектром. Для проведения градуировки системы детекторов различного типа с помощью импульсного источника излучения с непрерывным спектром, спектр которого может быть неизвестен либо известен недостаточно точно, следует проводить выравнивание наклонов СХ детекторов с использованием более широкой комбинации изменений в системе детекторов, относящихся к прохождению излучения до чувствительных элементов. Выравнивание наклонов СХ означает сближение параметров СХ и достижение независимости отношения откликов с детекторов от спектра квантов. Степень и точность выравнивания СХ и энергетический диапазон квантов, на котором производится выравнивание, зависит от вида системы детекторов и комбинации используемых методов выравнивания.
Продемонстрируем особенности способа с привлечением конкретной рабочей редакции измерений.
Предлагаются способы градуировки системы [4], [5] с помощью двух импульсных источников ТИ: ЛИУ-30 [1] и малогабаритного импульсного ускорителя электронов Аргумент-1000 [11. Завьялов Н.В., Канунов И.М., Полиенко Г.А., Хорошайло Е.С. Переносные импульсные рентгеновские аппараты "Аргумент-700" и "Аргумент-1000" с газовой изоляцией высоковольтных блоков // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2005, выпуск 10. - С.80-87].
п
кф
п
к
к
кф
кф
п
кф
В рассматриваемой системе пары детекторов Д-Д, Д-Д различны по своему типу, и их СХ не могут быть полностью идентичны. Различие между детекторами конвертированного излучения Д-Д определяется наличием фильтра в Д. Эти детекторы могут быть приведены в одно состояние с помощью перечисленных изменений в системе. Поэтому далее предлагаемый способ градуировки рассматривается на примере пары детекторов разного типа Д-Д как нетривиальный способ. От двух детекторов при градуировке аналогично осуществляется переход к трем и т.д.
п
В данной системе существует взаимное влияние детекторов на формирование СХ. В частности, конструкция детектора-конвертора Д влияет и на СХ данного детектора и на СХ второго детектора.
1
2
2
При проведении градуировки принципиальным является сохранение установки детектора-конвертора Д в прямом потоке квантов, а детектора Д - в конвертированном потоке квантов. Это связано с особенностями спектрально-углового состава прямого и конвертированного излучения, положением свинцовой защиты Д, различием до трех порядков чувствительностей детекторов к локальному потоку и т.д.
В рамках этого положения в систему детекторов при градуировке могут вноситься следующие изменения:
1
- изменение слоя конвертора-детектора Д;
1
- разворот конвертора-детектора Д;
1
- установка слоя из более тяжелого материала в Д;
2
- изменение толщины фильтра Д;
2
- изменение угла установки Д.
2
2
Эти изменения не затрагивает положение сцинтилляторов и их оптические контакты с фотоприемниками. Также снятие части фильтра в Д или изменение угла его установки не изменяет работу этого детектора. В [5] используется конструкция первого детектора на основе алюминиевого корпуса в виде стакана с крышкой, в который помещается сцинтиллятор. В состав корпуса входит алюминиевый слой (дно стакана) толщиной 3 см, а стенки и крышка имеют толщину 1 мм. Изменения в системе детекторов при градуировке могут осуществляться как с неизменным алюминиевым корпусом, так и с уменьшением его слоя. В предлагаемых способах градуировки наличие алюминиевого слоя необязательно, но он сохраняется из соображений технологической простоты. В [5] в качестве рабочего угла установки второго детектора на основе компромисса разных факторов выбран угол 90°, толщина слоя в конверторе-детекторе составляет 3 см алюминия, а толщина фильтра в Д составляет 3,5 см алюминия. Далее при проведении изменений, вносимых в систему детекторов для градуировки, угол установки в 90° и другие параметры системы будут рассматриваться как исходные. Изменения в СХ детекторов определяются на основе результатов расчетных исследований СХ методом Монте-Карло.
Замечание. Регистрация сигналов с детекторов системы возможна в схеме с раздельной регистрацией [4], а также в схеме суммирования импульсов на один измерительный канал [10]. Предлагаемые способы градуировки с выравниванием наклонов СХ детекторов являются общими для двух схем. Поэтому результаты применимы в обеих схемах.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ является более простым и позволяет работать с использованием схемы суммирования информации.
На фиг.1 приведена таблица с данными по конфигурациям градуировочных систем в случае использования для градуировки ТИ ЛИУ-30.
(Примечание. В обозначении алюминиевого слоя первого детектора цилиндрической формы, например, (6×3)Al число "6" означает диаметр, а "3" - толщину в сантиметрах, Al - это химический состав материала. Состав конвертора определен на основе структурной формулы каждой из составляющих конвертора, разделенных при записи состава конвертора знаком «тире», например (6×3)Al-(5,5×5)CH).
1
2
На фиг.2 приведены зависимости отношений зарядов Q/Q с детекторов от средней энергии квантов ТИ ЛИУ-30 для рабочей и градуировочной геометрии системы.
зависимость рабочей измерительной системы;
2
зависимость градуировочной системы. Фильтр 5 мм, кольцо Fe толщиной 20 мм, угол установки Д 90°.
1
2
На фиг.3 приведены градуировочные осциллограммы, полученные с ТИ ЛИУ-30. 11 - пики, связанные со вспышкой света в сцинтилляторе конвертора - отклик Д (вспышки света передаются на детектор с задержкой по оптическому кабелю [10]), 12 - пики, связанные с рассеянными квантами - отклик Д (рассеянные кванты передаются на детектор по воздуху).
На фиг.4 приведена таблица с экспериментальными результатами градуировки с помощью ТИ ЛИУ-30.
1
2
п
кф
На фиг.5 приведены зависимости параметров откликов детектора от энергии квантов. Зависимости отношений η/η детекторов Д/Д от энергии источника:
2
2
2
(10×3)Al-(10×5)CH, угол установки Д 90°;  (10×3)Al-(10×5)CH, угол установки Д 45°,  (5,5×5)CH-(6×3)Al, угол установки Д 45°;
п
энергетическая зависимость отклика Д на излучение Аргумент-1000.
На фиг.6 приведен вариант редакции градуировки системы детекторов с помощью Аргумент-1000.
п
1
кф
2
На схеме обозначены: 1 - детектор прямого потока Д (первый детектор - Д), в котором обозначены 2 - чувствительный элемент детектора 1, 3 - слой материала перед чувствительным элементом детектора 1, 4 - детектор Д (Д), 5 - чувствительный элемент детектора 4, 6 - фильтр, 7 - свинцовая защита, 8 - бетонная стена, 9 - отверстие в бетонной стене (8, 9 образуют коллиматор), 10 - источник излучения.
d
На фиг.7 приведена таблица с данными по относительным отличиям коэффициентов чувствительностей K нескольких систем детекторов для двух спектров Аргумент-1000. Все размеры в сантиметрах.
Рассмотрим отдельно способы градуировки с помощью двух названных источников.
Первым предлагаемым способом градуировки относительных чувствительностей набора детекторов является способ градуировки с помощью жесткого тормозного излучения ЛИУ-30. ЛИУ-30 является одновременно источником, спектральные характеристики ТИ которого измеряется в рабочем состоянии системы. Ускоритель ЛИУ-30 имеет переменные режимы работы, при которых средняя энергия  квантов ТИ, как правило, меняется в диапазоне ~3-6 МэВ. Спектр конкретного режима определяется недостаточно точно, с погрешностью около 20%. Поэтому градуировка с помощью ТИ ЛИУ-30 также требует оптимизации геометрии градуировки.
Для возможности сближения наклонов СХ детекторов используются следующие зависимости наклонов СХ от элементов редакции измерений:
п
к
кф
к
кф
- наклон СХ Д, Д, Д коррелированно увеличивается с ростом Z слоя конвертора, причем наклон СХ Д, Д увеличивается более резко;
к
кф
п
- наклон СХ Д уменьшается с увеличением угла установки детектора, по крайней мере в интервале углов 45°-90°. Для СХ детектора Д при толщине фильтра 3,5 см Al явной зависимости от угла нет (и само собой для Д);
кф
- наклон Д увеличивается с уменьшением толщины фильтра детектора, и наоборот.
п
кф
п
кф
В рабочей измерительной системе детекторов Д-Д наклон СХ Д на рабочем участке больше наклона СХ Д. Используя перечисленные зависимости наклонов СХ детекторов от различных элементов измерительной системы, можно сближать наклоны СХ двух детекторов на рабочих спектрах ТИ, соответствующих жестким квантам со средней энергии квантов по спектру ~3-6 МэВ. В данном способе, в основном, увеличивается наклон
В процессе подбора в ряде итерационных задач Монте-Карло нужных параметров системы определяются отношения зарядов с детекторов по следующей формуле для набора спектров ТИ:
где - φ(E) - спектр квантов.
В конечном итоге реализации способа определяются параметры системы, при которых отношение (2) является наиболее постоянным на широком диапазоне энергий квантов. Набор спектров ТИ рассчитывался по формулам [12. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. М.: Атомиздат, 1979 г.] и имеет средние энергии квантов в широком диапазоне.
Близкая к постоянной зависимость  с погрешностью ~±5% имеет место, в частности, для следующих параметров системы:
2
- толщин фильтра детектора Д в 1 см Al;
- угол установки второго детектора составляет 45°.
Возможные для градуировки конфигурации системы детекторов приведены в таблице фиг.1.
Другим вариантом выравнивания наклонов СХ является использование в конверторе слоя из железа. Данный слой железа имеет вид кольца, фиг.1, поз.2, угол установки второго детектора 90°. Соответствующая зависимость  приведена на фиг.2, в сравнении с зависимостью для рабочей геометрии.
1
2
Из фиг.2 следует, что в градуировочной геометрии отношение зарядов Q/Q является постоянным с погрешностью ~±3% для диапазона средних энергий квантов 3,5-7,5 МэВ. Следовательно, излучение ЛИУ-30 в номинальном режиме можно использовать для градуировки детекторов.
Примерно аналогичные результаты с точки зрения постоянства зависимости  дает применение диска из железа радиусом 3 см толщиной 20-25 мм.
Формирование импульсов с детекторов при градуировке с помощью ТИ ЛИУ-30 происходит в линейном режиме детекторов, близком к рабочему, при токах в единицы ампер. При этом для позиций 2, 3 фиг.1 не требуется дополнительный поворот детекторов.
Пример осциллограмм с градуировочными импульсами системы, соответствующей позиции 2 фиг.1, полученными по схеме суммирования [10], приведен на фиг.3. На этом рисунке совмещены 4 градуировочные осциллограммы. Максимальный ток в первом пике составил около 2 A.
i
Непосредственное определение коэффициентов относительной чувствительности детекторов проводится следующим способом. Проводится сквозной расчет методом Монте-Карло в градуировочной геометрии поглощенных энергий и удельных поглощенных энергий в сцинтилляторах детекторов ε, i=1, 2…, находящихся на своих местах, от градуировочного источника.
Заряды с детекторов связаны с флюенсами квантов и удельными поглощенными энергиями следующими соотношениями:
i
где Q - заряд с i-того детектора;
i
η - чувствительность детектора;
ϕ - флюенс квантов;
di
K - коэффициент связи тока с детектора с удельной поглощенной энергией или просто коэффициент детектора;
ϕ
ε - удельная энергия, поглощенная в сцинтилляторе, отнесенная к единичному флюенсу квантов;
ε - удельная энергия, поглощенная в сцинтилляторе детектора, МэВ/г.
Чувствительность детектора на основе формул (3) определяется как:
di
i
i
Коэффициент детектора целесообразно использовать при работе с расчетными удельными поглощенными энергиями. Коэффициент K равен отношению заряда с детектора Q к удельной поглощенной энергии ε:
di
i
i
di
Коэффициенты K разные у фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, которые могут использоваться в детекторах. При проведении градуировки данной системы в связи с выравниванием СХ меняются свойства детекторов, относящиеся к прохождению излучения до чувствительных элементов детекторов. При этом меняются поглощенные энергии ε в чувствительных элементах детекторов и меняются значения чувствительностей η. Однако, так как не затрагиваются оптические контакты детекторов, то не меняются отношения  и не меняются значения коэффициентов детекторов K.
Для определения спектрометрических характеристик квантов ТИ абсолютные чувствительности не нужны, а достаточно определить коэффициент относительной чувствительности детекторов:
Этот коэффициент определяется по результатам градуировки как:
2
1
где Q, Q - измеренные заряды с детекторов,
1
2
ε, ε - расчетные удельные поглощенные энергии в сцинтилляторах от градуировочного источника.
1
2
d
Так как отношение ε/ε не зависит от значения выхода излучения с источника, то и коэффициент K не зависит от выхода излучения с источника.
d
После проведения градуировки и определения коэффициента относительной чувствительности детекторов K СХ второго детектора преобразуется как
2
где η'(E) - зависимость чувствительности второго детектора, выраженная в единицах удельной поглощенной энергии от источника в рабочей геометрии.
1
2
3
Аналогично может определяться относительный коэффициент третьего детектора относительно первого и т.д. После этого чувствительности η(E), η(E) и, аналогично, η(E) и т.д. используются для спектрометрических измерений.
d
2
3
Результаты градуировки и полученное значение коэффициента K (7) приведено в таблице фиг.4. Чувствительности η(E) и, аналогично, η(E) и т.д. преобразуются по формуле (8) и используются для спектрометрических измерений.
Преимуществом способа градуировки с помощью ТИ ЛИУ-30 является высокий уровень токов с детекторов, на уровне 2 A, соответствующий рабочему и обеспечивающий наибольшую точность градуировки.
Вторым предлагаемым способом градуировки относительных чувствительностей набора детекторов является способ градуировки с помощью мягкого тормозного излучения малогабаритного импульсного ускорителя электронов Аргумент-1000 [11]. Малогабаритный импульсный ускоритель электронов Аргумент-1000, разработанный во ВНИИЭФ, является самым мощным источником ТИ переносного портативного типа. Для проведения градуировки Аргумент-1000 устанавливается перед коллиматором на его оси. После проведения градуировки источник Аргумент-1000 убирается с оси коллиматора. Ускоритель Аргумент-1000 является источником ТИ мягкого спектра со средней энергией 0,25 МэВ. Спектр ТИ Аргумент-1000 является постоянным в разных срабатываниях, но точность его определения оценивается в 20% и недостаточна для проведения градуировки. Ситуацию можно улучшить оптимизацией геометрии при градуировке. При использовании Аргумент-1000 в качестве градуировочного источника работают начальные участки СХ детекторов. Рассмотрим возможные вариации начальных участков СХ с точки зрения минимизации влияния погрешности спектра ТИ ускорителя Аргумент-1000 на результаты градуировки детекторов.
Для сближения наклонов начальных участков СХ детекторов используются следующие зависимости наклонов начальных участков СХ от элементов редакции измерений:
п
- наклон СХ Д уменьшается с увеличением толщины слоя конвертора. Это связано с работой слоя как фильтра квантов;
кф
- наклон СХ Д увеличивается с увеличением угла установки детектора.
1
2
1
2
Выравнивание СХ детекторов осуществляется на основе анализа отношения η/η (1) для разных конфигураций системы детекторов. Зависимости этого отношения от энергии приведены на фиг.5 (минимумы нормированы на единицу). В зависимостях отношений η/η наблюдается минимум, положение и ширину которого можно сдвигать определенными приемами. Этот минимум можно совмещать с максимумом спектрального отклика детекторов. При этом обеспечивается максимальная независимость относительных результатов градуировки от неточности знания спектров.
п
п
п
Анализ расчетных данных показывает, что, во-первых, желательно увеличить наклон СХ детектора Д с помощью уменьшения толщины алюминиевого слоя. Это можно сделать, не меняя конструкции детектора, с помощью разворота детектора-конвертора Д на угол 180° относительно вертикальной оси. После этого детектор Д обращен сцинтиллятором в сторону градуировочного источника (плюс крышкой корпуса толщиной 1 мм алюминия) и остается в пятне отверстия коллиматора на его оси.
кф
п
кф
Во-вторых, для выравнивания наклонов СХ двух детекторов следует уменьшить наклон СХ детектора Д на градуировочном участке путем уменьшения угла рассеяния, например, до 60° или 45°. Положения ускорителя Аргумент-1000 и детектора при градуировке приведены на фиг.6. Детектор Д при этом развернут относительно вертикальной оси на 180°, а угол установки детектора Д с защитой и алюминиевым фильтром составляет 45°.
1
2
п
2
1
2
Из фиг.5 видно, что кривые отношения чувствительностей η/η после проведения изменений - разворота детектора Д на 180° и детектора Д до 45° - становятся более постоянными. Минимум отношения чувствительностей η/η смещается в область больших энергий. На этой же фиг.5 приведена зависимость дифференциального по энергии отклика первого детектора:
где - φ(E) - спектр квантов.
Видно, что максимум энергетической зависимости отклика приходится на энергии ~0,3-0,5 МэВ и соответствует постоянному минимальному участку отношения чувствительностей.
d
Для моделирования откликов детекторов использовались два спектра Аргумент-1000, определенные двумя методами и имеющие некоторые отличия. Погрешность определения спектров данными методами составляет около 20%. В таблице фиг.7 приведены значения относительных отличий коэффициентов чувствительностей детекторов K для двух спектров и разных конфигураций градуировки.
d
Из таблицы следует, что для поз.3 коэффициенты K совпадают для двух спектров в пределах 1%, то есть практически не зависят от спектра. Соответствующую конфигурацию следует использовать при проведения градуировки относительной чувствительности детекторов с помощью ускорителя Аргумент-1000.
При градуировке с помощью Аргумент-1000 амплитуды токов с детекторов оцениваются в единицы мА. Преимуществом способа с использованием дополнительного источника излучения Аргумент-1000 является возможность проведения при необходимости градуировки без затрат рабочих импульсов ЛИУ-30.
Способы относительной градуировки с помощью источника ТИ Аргумент-1000 или источника ТИ ЛИУ-30 являются способами in situ, при этом система детекторов находится на своих рабочих местах. Для регистрации сигналов с детекторов используются рабочие источники питания и регистрирующая аппаратура.