БЛОК КАЛИБРОВКИ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА МЕХАНИЧЕСКИЙ

Полезная модель предназначена для реализации автоматической энергетической калибровки устройств анализа материалов посредством меченых нейтронов.
Известно устройство анализа материалов посредством меченых нейтронов, в котором автоматическая энергетическая калибровка реализуется для двусторонней геометрии (объект досмотра располагается между нейтронным генератором и гамма-детекторами) посредством ввода в область меченых нейтронов сцинтилляционных кислородосодержащих гамма-детекторов, патент РФ на полезную модель №137122, МПК G01N 23/222, 27.01.2014. Данные кислородосодержащие гамма-детекторы, выполняющие функцию калибровочного материала, являются прототипом полезной модели.
Прототип реализует автоматическую калибровку следующим образом: меченые нейтроны, испускаемые нейтронным генератором, соответствующие калибровочному пикселю альфа-детектора, попадают в кислородосодержащий гамма-детектор, расположенный за объектом досмотра на минимальном расстоянии S=3vt (v - скорость меченых нейтронов, t - временное разрешение при измерении альфа-гамма совпадений) во избежание смешивания откликов от объекта досмотра и от гамма-детекторов, выдвинутых в область меченых нейтронов;
Полученные при помощи аппаратуры сбора данных кислородные гамма-линии 3,76 мэВ и 6,12 МэВ, используются для определения параметров k и b калибровочной функции:
где А - это значение амплитуды сигнала в каналах;
k и b - это параметры калибровочной функции (1).
Недостатком прототипа является невозможность регулировки интенсивности гамма-отклика, используемого для калибровки, что необходимо, например, при сокращении времени измерения.
Полезная модель устраняет недостатки прототипа.
Техническим результатом является возможность регулировки интенсивности гамма-отклика, используемого для калибровки, что необходимо, например, при сокращении времени измерения.
Технический результат достигается тем, что блок калибровки гамма-спектрометра механический, включающий чувствительный элемент, состоящий из материала, дающего в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов калибровочные гамма-пики, чувствительный элемент состоит из двух, соединенных друг с другом торцами при помощи пластины, прямоугольных параллелепипедов графита и кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен к пластине, соединенной с направляющей по вертикали и с направляющей по горизонтали.
Перечень обозначений позиций, представленных на Фиг. 1-4:
1 - прямоугольной формы параллелепипед графита;
2 - прямоугольной формы параллелепипед кремния;
3 - пластина;
4 - направляющая по вертикали;
5 - направляющая по горизонтали;
6 - блок калибровки гамма-спектрометра механический;
7 - гамма-детектор;
8 - механическая защита гамма-детектора 7 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 9;
9 - нейтронный генератор со встроенным альфа-детектором 10;
10 - многопиксельный альфа-детектор;
11 - объект досмотра;
12 - граница зоны меченых нейтронов;
13 - калибровочная область альфа-детектора 10, соответствующая графиту;
14 - калибровочная область альфа-детектора 10, соответствующая кремнию.
На фиг. 1 изображен блок калибровки гамма-спектрометра механический, состоящий из двух скрепленных параллелепипедов - параллелепипеда 2 графита и параллелепипеда 1 кремния при помощи пластины 3 и двух направляющих 4 и 5 по вертикали и горизонтали, соответственно.
На фиг. 2 изображен вид сверху на размещение блока 6 калибровки относительно объекта 11 досмотра, гамма-детектора 7 и границ 12 зоны меченых нейтронов, определяемой многопиксельным альфа-детектором 10, встроенным в нейтронный генератор 9.
На фиг. 3 изображен вид спереди со стороны нейтронного генератора 9 блока 6 механической калибровки и расположение его относительно гамма-детектора 7 и границы 12 зоны меченых нейтронов.
На фиг. 4 представлен вид сверху на многопиксельный альфа-детектор 10 с указанием двух калибровочных областей 13 и 14 альфа-детектора 10, состоящих из калибровочных альфа-пикселей и соответствующих параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния.
На фиг. 5 и 6 представлены примеры гамма-спектров от параллелепипеда 2 кремния (Si) и параллелепипеда 1 графита (С) и результат аппроксимации их гамма-линий 1779 кэВ (Si) и 4439 кэВ (С) функцией Гаусса с учетом подложки в виде наклонной прямой линии (значения по оси абсцисс приводятся в условных единицах (каналах), по оси ординат приводится количество отсчетов).
На фиг. 7 представлен пример исходного неоткалиброванного амплитудного гамма-спектра от объекта 11 досмотра, в качестве которого выступал имитатор тротила (значения по оси абсцисс приводятся в условных единицах (каналах), по оси ординат приводится количество отсчетов).
На фиг. 8 представлен вид откалиброванного энергетического гамма-спектра от имитатора тротила, полученный после выполнения автоматической калибровки (значения по оси абсцисс приводятся в МэВ, по оси ординат приводится количество отсчетов).
Блок калибровки гамма-спектрометра механический (фиг. 1) содержит параллелепипед 1 графита и параллелепипед 2 кремния, пластину 3, направляющие 4 и 5 по горизонтали и по вертикали, соответственно, обеспечивающие позиционирование и перемещение параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния относительно границы 12 зоны меченых нейтронов (фиг. 2, 3).
Блок калибровки гамма-спектрометра механический, включающий чувствительный элемент, состоящий из материала, дающего в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов гамма-пики углерода 4439 кэВ и кремния 1779 кэВ, чувствительный элемент состоит из двух, соединенных друг с другом торцами при помощи пластины 3, прямоугольных параллелепипедов - параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен, например, приклеен к пластине 3, соединенной с направляющими 4 и 5 по вертикали и по горизонтали, соответственно.
Блок 6 калибровки входит в состав устройства нейтронного анализа материалов (фиг. 2) и располагается в нем максимально близко к гамма-детектору 7, выступая, на предустановленное расстояние, за границу 12 зоны меченых нейтронов (фиг. 2, 3), между гамма-детектором 7 и его механической защитой 8 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, калибровочные области 13 и 14 которого (фиг. 4), соответствуют параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния, соответственно. При этом объект 11 досмотра размещается с другой стороны гамма-детектора 7 внутри границы 12 зоны меченых нейтронов (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом.
Блок 6 калибровки (фиг. 1) устанавливается максимально близко к гамма-детектору 7 (фиг. 2), между гамма-детектором 7 и механической защитой 8 гамма-детектора 7 от прямого нейтронного излучения нейтронного генератора 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, калибровочные области 13 и 14 которого (фиг. 4), соответствуют параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния. При этом объект 11 досмотра размещается с другой стороны гамма-детектора 7 внутри границы 12 зоны меченых нейтронов (фиг. 2).
Сперва, до измерения объекта 11 досмотра при помощи двух направляющих 4 и 5 по вертикали и по горизонтали, соответственно, осуществляется регулировка долей параллелепипеда 1 графита и параллелепипед 2 кремния, находящихся внутри границы 12 зоны меченых нейтронов, путем перемещения пластины 3 с прикрепленными к ней параллелепипедами 1 и 2 (фиг. 3). Доли выбираются исходя из плотности параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, времени измерения объекта 11 досмотра, гамма-спектра и уровня фоновых событий, регистрируемых гамма-детектором 7 в результате попадания нейтронов генератора 9 в окружающие его объекты помимо объекта 11 досмотра.
Размер и форма параллелепипедов 1 и 2 определяется размерами границ 12 зоны меченых нейтронов в области размещения блока 6 калибровки, гамма-детектора 7 и пространственным разрешением устройства нейтронного анализа материалов, определяемым нейтронным генератором 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, а также временем измерения, интенсивностью излучения нейтронного генератора 9, плотностью материалов параллелепипедов 1 и 2.
7
3
Например, при размерах границ 12 зоны меченых нейтронов 10×10 см и пространственного разрешения 1,5 см устройства нейтронного анализа материалов в области размещения блока 6 калибровки, чувствительной области гамма-детектора 7,6×∅7,6 см, интенсивности нейтронного генератора 9 составляющей 5⋅10 нейтр./с, плотности параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния не менее 1,8 г/см, времени измерения от 1 до 10 минут, параллелепипеды 1 и 2 будут иметь прямоугольную форму с размерами в диапазоне (В×Ш×Г), см: (10-13)×(3-5)×(1×3). Таким образом, прямоугольная форма параллелепипедов обусловлена непосредственно размерами зоны меченых нейтронов.
Si
C
Si
C
Меченые нейтроны нейтронного генератора 9, соответствующие калибровочным областям 13 и 14 альфа-детектора 10, попадают соответственно в доли параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, находящиеся внутри границы 12 зоны меченых нейтронов, вызывая неупругое рассеяние нейтронов с образованием интенсивных гамма-линий углерода 4439 кэВ (σ≈187 мб [1]) и кремния 1779 кэВ (σ≈403 мб [1]), которые регистрируется гамма-детектором 7. Данные линии кремния и графита идеально подходят для реализации процедуры калибровки, не только потому, что имеют большие сечения взаимодействия, но и потому, что не перекрываются другими гамма-линиями, что важно для точности определения положения центра пика при помощи его аппроксимации. На Фиг. 5 и 6 представлены примеры гамма-спектров от кремния и графита, а также результат аппроксимации их гамма-линий кремния 1779 кэВ (Si) и графита 4439 кэВ (С) функцией Гаусса с учетом подложки в виде наклонной прямой линии. На основании данных аппроксимаций определяются параметры аппроксимации гамма-пиков кремния A и графита A, характеризующие положения центров пиков, выраженных в каналах. Полученные параметры A и A используется для определения параметров к и b калибровочной функции (1) по классическим формулам:
Найденная калибровочная функция (1) позволяет выполнить автоматическую энергетическую калибровку гамма-отклика от объекта 11 досмотра. На Фиг. 7 и 8 показаны примеры исходного неоткалиброванного амплитудного гамма-спектра от имитатора тротила (значения по оси абсцисс приводятся в условных единицах, по оси ординат приводится количество отсчетов) и результат его автоматической калибровки в виде энергетического спектра (значения по оси абсцисс приводятся в МэВ). Как видно, на примере откалиброванного гамма-спектра имитатора тротила, автоматическая калибровка корректно определяет энергию гамма-пиков, соответствующих химическим элементам кислорода - 6,13 МэВ, углерода - 4,44 МэВ и азота - 2,31 МэВ, содержащимся в имитаторе тротила, что подтверждает возможность реализации автоматической калибровки при помощи блока 6 калибровки.
Таким образом достигается заявленный технический результат, а именно возможность регулировки интенсивности гамма-отклика, используемого для калибровки, что необходимо, например, при сокращении времени измерения.
Литература
1 Simakov S.P., Pavlik A. et.al. Status of Experimental and Evaluated Discrete Gamma-Ray Production at En=14.5 MeV. IAEA, 1998 - https://www-nds.ieaa.org/publications/indc/indc-ccp-0413