УСТРОЙСТВО СО СФЕРИЧЕСКОЙ ЗОНОЙ ОБЗОРА ДЛЯ ПОИСКА ФОТОННЫХ ИСТОЧНИКОВ
DEVICE WITH SPHERICAL FIELD OF VIEW FOR SEARCHING FOR PHOTON SOURCES

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при радиационном мониторинге в качестве средства поиска и определения направления на фотонный источник в телесном угле 4π стерадиан.
Известно «Устройство для поиска и измерения двух угловых координат фотонных источников» [Патент РФ №2192656], содержащее 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 ограниченное поле зрения по каждой координате за счет применения коллиматора.
Известно устройство «Gamma ray incident direction detector (Детектор для определения направления падения гамма-излучения)» [Патент JP №2004170116]. 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 относительно низкая обнаружительная способность, связанная с малой площадью отверстий, в которых располагаются детекторы, по сравнению с общей площадью поверхности сферы, а также невысокая интегральная чувствительность за счет заглубления детекторов в защитном экране.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство для поиска фотонных источников» [Патент РФ № 012016]. 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. Недостатками устройства являются определение направления на источник излучения только по одной угловой координате и относительно низкая обнаружительная способность.
Задачей изобретения является увеличение зоны обзора устройства до полного телесного угла 4π стерадиан и повышение обнаружительной способности.
Предложено устройство со сферической зоной обзора для поиска фотонных источников, содержащее детектирующий блок, включающий защитный экран в форме шара и многоэлементный детектор, электронный преобразователь, соединенный с элементами детектора, и блок электроники, соединенный с электронным преобразователем. Детектирующие элементы расположены по ребрам правильного многогранника, образованного платами электронного преобразователя, внутри которого размещен защитный экран. В качестве детектирующих элементов могут быть использованы счетчики Гейгера, сцинтилляционные или полупроводниковые детекторы фотонного излучения. Защитный экран должен быть изготовлен из материала с большой атомной массой и высокой плотностью (свинец, вольфрам и т.д.). Электронный преобразователь управляет питанием детектирующих элементов и передает накопленную в результате измерений информацию в блок электроники. Блок электроники производит первичную обработку полученной от детектирующих элементов информации и передает данные для последующих вычислений в ПЭВМ.
Существенным является выполнение защитного экрана в виде шара и расположение детектирующих элементов многоэлементного детектора вокруг его поверхности по ребрам правильного многогранника, образованного платами электронного преобразователя.
Такая конструкция устройства позволяет получить зону обзора 4π стерадиан за счет размещения детектирующих элементов вокруг всей поверхности экрана в отличие от прототипа, где элементы размещались в одной плоскости, и измерять направление на источник по двум координатам - азимутальному и полярному углам. Повышение обнаружительной способности достигается за счет возможности размещения большего числа детектирующих элементов вокруг экрана, открытых для фотонного излучения. Обнаружение источника происходит при выполнении следующего неравенства:
C
Ф
где N- суммарное зарегистрированное количество импульсов от источника, N - суммарное зарегистрированное количество импульсов фонового излучения, k - коэффициент (квантиль обнаружения) [Патент РФ №2192656]. Если устройство содержит n детекторов, то значение величины импульсов сигнала и фона можно записать в виде:
где ,  - среднее зарегистрированное количество импульсов сигнала и фонового излучения для одного элемента. Подставляя выражения (2) в формулу (1), получаем:
Таким образом, увеличение количества детектирующих элементов в устройстве приводит к выигрышу в чувствительности в корень квадратный раз из числа элементов по сравнению с чувствительностью устройства, содержащего один детектор.
Расположение в данном устройстве детектирующих элементов без дополнительной коллимации самих элементов позволяет добиться более высокой обнаружительной способности, так как в процессах регистрации фотонного излучения участвует вся открытая для излучения площадь детектирующего элемента, а не его часть.
На фиг.1 показана схема устройства.
Устройство содержит защитный экран в виде шара 1, многоэлементный детектор 2, платы электронного преобразователя 3 и блок электроники 4. При конкретном исполнении для регистрации жесткого фотонного излучения в качестве элементов многоэлементного детектора 2 используются счетчики Гейгера, защитный экран выполнен из вольфрамового сплава. Детектирующие элементы располагаются по ребрам додекаэдра.
На фиг.2 показана плата электронного преобразователя, являющаяся одной гранью додекаэдра, с установленными на ней элементами детектора.
В процессе поиска гамма-источника сигналы с выходов элементов детектора 2, сформированные по амплитуде и длительности в преобразователе 3, поступают на входы электронного блока 4. Блок 4, содержащий логическую схему и управляющий микроконтроллер, осуществляет поканальное накопление и преобразование данных в машинный код, который по последовательному каналу поступает на ПЭВМ. Передача данных в ПЭВМ может осуществляться через один из интерфейсов: RS-232, RS-485, USB или CAN. Алгоритм обработки поступившей информации для вычисления направления на источник фотонного излучения аналогичен прототипу за исключением того, что угловые характеристики каждого элемента имеют распределение по двум угловым координатам.
Дополнительное преимущество в измерении направления на фотонный источник по двум угловым координатам заключается в возможности определения расстояния до источника и, как следствие, дистанционной оценки его активности (при условии нахождения источника на земле и известной высоте Н расположения устройства относительно земли). Расстояние может быть вычислено по формуле:
где θ - угол места, отсчитываемый от горизонтальной плоскости.