КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
COMPENSATION METHOD FOR DIRECTED DETECTION OF RADIOACTIVE RADIATION AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к регистрации радиоактивного излучения, в частности к регистрации гамма- и нейтронного излучения в присутствии мешающего излучения, и может быть использовано для направленного приема излучения.
Выделение полезного излучения заданного направления на фоне мешающего излучения может осуществляться путем пассивной или активной экранировки детектора. Пассивное экранирование детектора выполняется путем окружения его материалов с высокими поглощающими свойствами, кроме избранного направления, то есть создается пассивная коллимация детектора. При соответствующей толщине пассивного экрана практически можно избавиться от влияния мешающего излучения. В зависимости от вида излучения и его энергии масса и габариты пассивного экрана могут достигать больших значений, что не всегда удовлетворяет требованиям и условиям применения детектирующих систем. Например, это отмечается в условиях регистрации потока или интенсивности гамма-излучения радиоактивных руд, в присутствии интенсивного мешающего излучения, с помощью переносных радиометров, где в качестве детекторов применяются сцинтилляционные счетчики на основе кристаллов NaI(Tl) и CsI(Tl) в сочетании с фотоэлектроном умножителем (ФЭУ). Такой детектор, для обеспечения высокой чувствительности регистрации, должен иметь большой размер и в сочетании с ФЭУ, иметь соответствующего размера катод. В таком случае и пассивный экран будет иметь увеличенные размеры и массу.
Детекторы с узкой зоной направленности могут использоваться и для экспрессного контроля несанкционированной транспортировки и хранения радиоактивных веществ, при этом он может быть установлен на движущиеся транспортные средства, и являться своеобразным пеленгатором источника излучения. Детектор с такой направленной зоной чувствительности может найти применение и для разведочных целей, когда нужно оценить присутствие в космическом или другом летательном аппарате наличие ядерного заряда, которое испускает поток нейтронов или гамма-излучения, а мешающим является космическое излучение. В таком случае габариты и масса могут иметь существенное значение. Задача существенно упрощается для способа, предлагаемого в патенте RU 2068571 (27.10.96, Бюл. 30), если применять изобретение, изложенное ниже.
Другой путь уменьшения размера и веса детекторов - это применение системы активного экранирования, когда один детектор «основного» канала регистрирует поток частиц и или их интенсивность в заданном направлении, а мешающее излучение поступает на него в основном с боков и с противоположного торца на другой детектор в « компенсационном» канале. Детекторы обычно располагают или на одной оси, разделив их экраном, или один над другим также с разделением экраном (В.П.Бовин. Применение методов направленной регистрации γ-излучения для γ-опробования. « Вопросы рудной радиометрии». Сборник статей под редакцией В.Л.Шашкина. Госатомиздат. М.: 1962. 94-111 ст.). Аналогичная реализация способа приведена в патенте RU 2068184 (в Бюл.№29 от 20.10.96). В предложенных конструкциях активного экранирования тоже присутствует разделительный, пассивный экран, но его габариты и масса в значительной степени уменьшены.
Для такого способа направленного приема излучения из результата регистрации «основного» канала вычитают результат регистрации «компенсационного» канала с учетом доли его вклада в основной канал (по значению коэффициента компенсации). Недостатком осевого расположения детекторов является не совмещенность центров детекторов «основного» и «компенсационного» каналов, что приводит к погрешности в оценке результатов измерений. Следует отметить еще и другой существенный недостаток, заключающийся в том, что использование в сцинтилляционных детекторах ФЭУ требует для своей работы источник высокого напряжения, что не всегда отвечает требованиям безопасности.
-8
-9
эф
Известен компенсационный способ направленной регистрации гамма-излучения, когда детектор «основного» канала установлен внутри «компенсационного», и сцинтилляции в обеих регистрируют одним ФЭУ (В.П.Бовин. Детекторы для направленной регистрации γ-излучения и их применения в разведочной и рудной радиометрии. «Вопросы рудной радиометрии». Сборник статей под редакцией В.Л.Шашкина. Госатомиздат. М.: 1962. 52-63 ст.). В таком составном детекторе в «основном» канале применяется кристалл NaI(Tl) с временем высвечивания 10 с, а в «компенсационном» используется пластмассовый сцинтиллятор со временем высвечивания 10 с. Здесь единственное ФЭУ регистрирует «длинные, медленные» импульсы «основного» канала и «короткие, быстрые» импульсы «компенсационного», которые путём временной селекции в электронной схеме разделяются, формируются и вычитаются с учетом величины вклада мешающего излучения в «основной» канал. При такой регистрации сцинтилляций одним ФЭУ возможны временные наложения, что создаст дополнительные погрешности при регистрации больших потоков частиц. Эффективность регистрации гамма-излучения пластмассовым сцинтиллятором - низкая (малое Z), и чувствительность регистрации мешающего излучения тоже мала, а это увеличивает статистическую погрешность. Увеличить чувствительность в таком случае не представляется возможным при наличии единственного ФЭУ, а применение высокоэффективных неорганических кристаллов, имеющих близкие значения времени высвечивания, затрудняет разделение сигналов. Например, направленная регистрация потока быстрых нейтронов в присутствии мешающего излучения других источников быстрых нейтронов. В этом случае применять существующий компенсационный способ регистрации излучения может вызывать большие практические трудности. Для работы ФЭУ так же требуется источник высоковольтного напряжения.
В патенте US 2007272874 А1 приведено описание устройства, в котором учитывается влияние мешающего гамма-излучения при регистрации потока нейтронов. Здесь детектор нейтронов позволяет регистрировать отдельно сцинтилляции от нейтронов и сцинтилляции, сопровождающие их, гамма-излучение. Световые сигналы по оптическим волноводам подаются на преобразователи (фотодиоды, фотоэлектронные умножители), с которых электрические импульсы поступают в процессор, где исключается влияние одного вида излучения на другой.
Следует отметить, схема приведенной конструкции детектора не имеет явно выраженной анизотропии его зоны чувствительности и характеризовать направленность регистрации нейтронов тоже нельзя. Такое устройство является прототипом составного детектора, учитывающее вклад мешающего излучения в сцинтилляционных детекторах.
Целью предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного способа коллимирования зоны чувствительности детектора при регистрации радиоактивного излучения.
Поставленная цель достигается тем, что компенсационный способ направленной регистрации радиоактивного излучения заключается в том, что составной сцинтилляционный детектор радиоактивного излучения составляют из двух отдельных сцинтилляционных каналов регистрации; внутреннего «основного» и внешнего «компенсационного», обхватывающего его, на сцинтилляционные детекторы «основного» и «компенсационного» каналов, имеющих любое время высвечивания, устанавливают фотодиоды и обеспечивают высокую чувствительность регистрации, а для эффективного сбора информации объему и спектрального согласования фотодиодов и сцинтилляций, с помощью спектросмещающих световодов, введенных в детектор, оптически соединяют с фотодиодами, а получаемые с выхода фотодиодов электрические сигналы суммируются отдельно для каждого канала и подают через усилители-формирователи на входы процессора, где, с учетом вклада мешающего излучения, по результатам регистрации в «компенсационном» канале, выделяют сигналы от радиоактивного излучения, приходящего в пределах заданной зоны направленности детектора, а величину вклада мешающего излучения оценивают по результатам измерений в «основном» канале, величину вклада мешающего излучениям канала с помощью источника, задают его усредненную ожидаемую интенсивность и по отношению показаний «основного» и «компенсационного» каналов, определяют коэффициент компенсации при расположении зоны направленности детектора в сторону отсутствия воздействия на «основной» канал прямого и рассеянного излучения (вверх и в удалении от окружающих предметов и поверхностей не менее 1.5÷2.0 м).
Устройство составного детектора, обеспечивающего направленность регистрации, достигается тем, что сцинтилляционный детектор «компенсационного» канала располагают со всех сторон вокруг детектора «основного» канала с избыточной полостью, позволяющей устанавливать и механизм перемещения и фиксации детектора «основного» канала и тем самым изменять угол коллимации «основного» канала, на входе которого дополнительно установлен пассивный коллиматор, обеспечивающий подавление мешающего излучения в ближней зоне регистрации.
На фигурах 1 и 2 приведено схематично два варианта устройства для направленной регистрации радиоактивного излучения.
Устройство составного детектора содержит два сцинтилляционных детектора излучения 1 и 2, или на основе неорганических сцинтилляторов NaI(Tl), CsI(Tl), или органических пластмасс, например СПС-Н1. Они должны легко и просто механически обрабатываться. Детектор 1 «основного» канала регистрирует радиоактивное излучение, поступающее из зоны направленности и частично мешающее, поступающее с боков из сопредельных зон. Детектор 2 «компенсационного» канала регистрирует излучение, поступающее вне зоны направленности, возможно и незначительная часть поступления из зоны направленности. Для уменьшения этого излучения, поступающего в компенсационный канал, на торцевую часть детектора 2 устанавливают кольцевой, пассивный экран-коллиматор 3, открытый для излучения из зоны направленности, регистрирующий в «основном» канале.
2
2
2
Фотодиоды 4 преобразовывают вспышки сцинтилляций в детекторе «компенсационного» канала, а фотодиоды 5 - в детекторе «основного». На практике могут использоваться выпускаемые промышленностью или p-i-n фотодиоды или лавинные фотодиоды MRS APD, например СРТА 143 (1.2×1.2 мм), СРТА 149 (2.1×2.1 мм), СРТА (3.0×3.0 мм). Лавинные фотодиоды имеют большой коэффициент усиления, что существенно упрощает схемные решения по сравнению с p-i-n фотодиодами. Максимум спектральной чувствительности их соответствует 600 nm, что более соответствует для длины волны сцинтилляций CsI(Tl). Для кристаллов NaI(Tl) и СПС-Н1 испускающие сцинтилляции с длиной волны 410-350 nm применяют спектросмещающие световоды, регистрирующие сцинтилляции по всей своей длине и, тем самым, увеличивающие светосбор с большего объема детектора. Для такого случая штоки 6 прижимают для надежного оптического контакта фотодиода 4 к спектросмещающим световодам 7. Гайки 8 позволяют перемещать и фиксировать детектор 8 в пределах полости компенсационного детектора 2. На пластине 9 крепятся фотодиоды 5 с увеличенной чувствительной площадью, которая, в свою очередь, подпружинена упругой шайбой 11 и с помощью гайки 8 обеспечивает оптический контакт фотодиодов 5 с детектором 1. Экран 12 уменьшает (поглощает) мешающее излучение, поступающее на систему детекторов 1 и 2 с противоположной стороны от зоны направленности.
Компенсационная система детектирования совместно с электрической схемой заключены в водонепроницаемый корпус 13. Сигналы со всех фотодиодов 4 и отдельно со всех фотодиодов 5, поступают на схему суммирования 14, выход которой соединен с входом схемы усилителя-формирователя 15. Сформированные сигналы с выхода усилителей-формирователей 15 поступают в процессор 16. На выходе процессора 16 получают информацию, характеризующую интенсивность или поток радиоактивного излучения, обнаруженного в зоне направленности, которая сохраняется в памяти и поступает на визуальный индикатор 17. Питание фотодиодов 4 и 5 вырабатывается отдельно в блоках 18. Низковольтное питание всех электрических схем осуществляется из блока 19.
На фигуре 2 приведен другой вариант конструктивной схемы составного детектора, где в «компенсационном» детекторе 2 экран 12 отсутствует, он изготовляется с колодцем, внутри которого устанавливается детектор 1. Детектор 1 может иметь в центральной части отверстие, куда вставляется спектросмещающий световод 7, оптически соединяемый с отдельным фотодиодом 5. В корпусе детектора 2 выполнено светоизолированное отверстие 20, через которое выводится или световод 7 или провод, соединяющий фотодиод с блоком 14, возможен и вывод проводов через отверстие экрана-коллиматора 8, но при этом ухудшается помехоустойчивость детектора. Для лучшего светосбора в такой конструкции вводят еще дополнительный фотодиод в центральной части «компенсационного» детектора 2. В конструкции, приведенной на фигуре 2, мешающее радиоактивное излучение, поступающее с тыльной стороны, будет регистрироваться и в «компенсационном» и в «основном» детекторах, которое может быть учтено при настройке.
Компенсационный способ направленного приема излучения осуществляется следующим образом. Предварительно отметим, что от мешающего излучения с низкой проникающей способностью достаточно просто можно избавиться относительно тонкой, свинцовой экранировкой детектора. При работе с нейтронным и гамма-излучением это сложнее и пассивное экранирование требует большей толщины экранировки.
Излучение на детекторы 1 и 2 может поступать со всех сторон и регистрируется в «компенсационном» и «основном» каналах. В детекторе 1 поток излучения вызывает вспышки сцинтилляции, преобразованные фотодиодом 5 в электрические импульсы. Оптический контакт обеспечивается пластинами 9 и 11, прижимаемые гайками 8. Сигналы с выводов фотодиодов 5 поступают на схему сумматора 14 с использованием проводников, проходящих через отверстия 20 в защите 12. В детекторе 2 вспышки сцинтилляций по всей длине световода 7 преобразуются в световые вспышки с большей длиной волны, соответствующей максимальной чувствительности фотодиодов 4, которые через штоки 6 и пластины 10 прижимаются к отполированным торцам световодов 7. Электрические сигналы с фотодиодов 4 подаются на другую схему суммирования 14. С выхода каждой схемы 14 сигналы усиливаются и формируются по длительности и амплитуде в блоке 15. Здесь же предварительно осуществляется дискриминация сигналов по нижнему уровню для отделения шумовой составляющей фотодиодов 5 и 4. Сформированные импульсы поступают на два входа блока процессора 16, где выполняется выделение полезной информации. Импульсы от мешающего излучения определяются по результатам регистрации в «компенсационном» канале, умноженным на коэффициент компенсации К. Величина коэффициента компенсации К оценивается по результатам измерения потока излучения источника, располагаемого сбоку, вне зоны направленности, или в виде кольца с радиоактивной равновесной рудой, надетого на блок детектирования, или в виде точечной ампулы, расположенного при этом зона вне направленности. Коэффициент компенсации равен
осн.
комп.
K=N/N,
осн.
N - скорость счета мешающего излучения, регистрируемая в «основном» канале, имп./с;
комп.
N - скорость счета мешающего излучения, регистрируемая в «компенсационном» канале, имп./с.
При определении коэффициента компенсации детектор основного канала 1 с помощью гаек 8 перемещают внутри объема компенсационного детектора и добиваются постоянства его величины и, кроме того, в этом случае можно изменять угол направленности детектирующей системы.
Таким образом, на выходе процессора 16 будем получать значение потока радиоактивного излучения на i-й точке пространства измерения от источника, находящегося в пределах угла направленности составного детектора, в виде скорости счета, характеризующей или поток радиоактивных частиц, или интенсивность излучения
i
i
i
осн
ком
ΔN=N -K*N .
i
По величине ΔN судят о наличии источника радиоактивного источника. Для случая гамма-опробования стенок горных выработок по этой величине оценивают содержание радия и, с учетом радиоактивного равновесия, содержание урана. Когда такой детектор применяется в качестве пеленгатора, устанавливаемого на транспортном средстве, то по двум смещенным точкам изменений определяют координаты третьей точки с источником излучения. Вся эта информация из процессора 16 поступает в блок 17, где заносится в память и сохраняется, а также для визуализации отображается на мониторе.
Блоки 18 служат для выработки стабилизированного питания отдельно для фотодиодов 4 и фотодиодов 5, которое обычно не превышает 55-60 В. Количество таких блоков питания может быть и больше. Зависит это от разброса питания для каждого фотодиода, которые предварительно подбирают, обычно, если оно изменяется в пределах 2-5%, можно использовать один блок 18 для фотодиодов 4 и 5.
Блок 19 обеспечивает питанием, постоянным напряжением все электрические схемы компенсационного детектора.
Приведенное описание конструкции составного устройства для направленной регистрации радиоактивного излучения показывает его простоту, и не будет вызывать каких-либо трудностей в практической реализации при современном развитии техники.
Экономическая эффективность предлагаемого изобретения обуславливается сокращением габаритов и массы детектирующих систем, упрощением электрических схем.