СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРХНЕГО ПРЕДЕЛА ИНТЕГРАЛЬНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ТОРМОЗНОГО ИЛИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ
METHOD FOR MEASURING THE UPPER LIMIT OF INTEGRAL AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF HIGH-ENERGY BRAKE OR GAMMA RADIATIONS OF POWERFUL PULSE SOURCES

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для определения динамических и интегральных по времени характеристик высокодозных высокоэнергетичных тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, действующих на объекты испытаний, далее просто излучений. Излучение исследуемого типа генерируется, например, электронными ускорителями типа линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 [1], [2], имеющим характерную длительность импульса ~ 20 нс и энергию излучения до 40 МэВ.
В методологическом подходе при определении динамических и интегральных по времени характеристик излучения мощных импульсных источников фактором, наиболее активно влияющим на результаты измерений, является выбор свойств детектора излучения, а также подход к обработке результатов детектирования.
При решении выше обозначенных проблем используется ряд известных сцинтилляционных детекторов. Ниже приведен их обзор как средства детектирования излучения мощных импульсных источников. Существуют сцинтилляционные детекторы (СД) для регистрации высокоинтенсивных импульсных потоков тормозного излучения (ТИ) и гамма-излучения (для измерения интегральных и динамических характеристик излучений рассматриваемых типов излучений) следующего типа [3], [4]. Чувствительным элементом (ЧЭ) в данных детекторах является сцинтиллятор, в котором при воздействии гамма-излучения генерируется оптическое излучение, поступающее на фотоприемник (ФП). Временная форма отклика СД определяется мощностью (производной по времени) поглощенной дозы в ЧЭ. В ФП под действием оптического излучения возникает токовый импульс I(t), передаваемый по кабельной линии и регистрируемый далее осциллографом. Преимуществом сцинтилляционного метода является возможность дистанционно передавать оптическое излучение от сцинтиллятора по воздушному или иному оптическому каналу - световоду на ФП. При этом ФП, разъем, кабель выводятся из зоны воздействия ионизирующего излучения. Сам сцинтиллятор при этом должен обладать высокой радиационной стойкостью, позволяющей обеспечить ему возможность сохранить требуемую функцию в заданных условиях.
В [3] описан детектор с пластмассовым сцинтиллятором (ПС) на основе полистирола. Типичный размер сцинтиллятора составляет ~ сантиметры [4, стр. 72]. Недостатком такого выбора детектора при решении обозначенной проблемы прототипа является ограниченный верхний диапазон измерения поглощенной дозы, составляющей ~10 Гр (1 крад) [6, стр. 47] и обусловленный радиационным поражением пластмассы.
Существует ряд проблем в ядерной физике, при решении которых требуется необходимость измерения высоких пределов измеряемой дозы излучения, что связано с необходимостью выбора сцинтилляционного детектора с таким свойством как радиационная стойкость сцинтиллятора, позволяющим сохранить работоспособность регистратора при повышении уровня дозовой нагрузки. Для таких проблем поставлена задача - увеличить верхний предел измеряемой дозы свыше ~1000 Гр (100 крад).
В [3, стр. 48] упоминается о почернении торцов сцинтиллятор (кроме обращенного к ФП) как способе уменьшения пробега оптического излучения в сцинтилляторе и повышения радиационной стойкости детектора. Однако, взятый в отдельности, этот способ - аналог не может обеспечить радикального повышения радиационной стойкости.
При регистрации импульсных высокоинтенсивных потоков гамма-излучения или ТИ ускорителей сцинтиллятор детектора подвергается импульсному объемному (равномерно по объему) воздействию. Существует принципиальная разница в механизме радиационного поражения сцинтиллятора при объемном (равномерном) импульсном облучении и статическом облучении. При импульсном облучении длительностью ~ 20 не плотность потока квантов настолько велика, что время между воздействием отдельных квантов ничтожно мало и воздействие осуществляется как непрерывный процесс. Треки отдельных частиц не разделяются ни пространственно, ни по времени. При статическом же облучении воздействию подвергается только область трека частицы. При этом импульсы отдельных частиц, как правило, разделяются между собой.
Поэтому предложения по повышению радиационной стойкости сцинтилляторов или повышению измеряемого верхнего дозового предела существенно различаются в случае работы сцинтиллятора в импульсном объемном или статическом облучении. Существует много патентов, где изложены методы повышения радиационной стойкости сцинтилляторов при статическом облучении. Однако эти методы в связи с вышеизложенными принципиальными различиями во взаимодействии излучения с материалом сцинтиллятора практически неприменимы для случая импульсного объемного облучения.
Ниже приведены примеры использования детекторов разного типа и способы повышения их радиационной стойкости для случая статического облучения образца.
Известен сцинтилляционный радиационно-стойкий детектор [8]. В сцинтилляторе этого детектора сделаны канавки для размещения световодов, смещающих длину волны оптического излучения сцинтиллятора до 550 нм, и передачи по ним оптического излучения на расположенный на удалении фотоприемник. За счет увеличения длины волны оптического излучения уменьшается его ослабление в световоде и повышается радиационная стойкость детектора в целом. Данный детектор предназначен для использования в статическом облучении. И нет оснований для его использования в импульсных высокодозных полях. Детектор характеризуют большие габариты и его нельзя использовать в измерениях с ограниченным объемом облучения.
Существуют сцинтилляционные детекторы, использующие пленочные сцинтилляторы. Тонкие пленочные сцинтилляторы применяются для регистрации тяжелых частиц или частиц малых энергий с короткими пробегами [7]. Приведем некоторые примеры.
Известен пленочный пластмассовый сцинтиллятор [9]. Данный пленочный пластмассовый сцинтиллятор - ППС в составе детектора предназначен для регистрации альфа-частиц и мягких короткопробежный электронов и квантов. Используются пленки диаметром 7.2 см и толщиной 0.005 см. Авторами предложено для пленок использовать материал поли-n-ксилен. Это обеспечивает более высокий световыход, химическую стойкость. Детектор предназначен для использования в статическом облучении. В патенте нет данных о радиационной стойкости данного сцинтиллятора. И нет оснований для его использования в импульсных высокодозных полях.
Аналогичная ситуация с пленочным сцинтиллятором для регистрации бета- и фотонного излучения [10]. Область применения патента - радиометрия жидких, газообразных, твердых тел и дозиметрия ионизирующих излучений. Предложен пленочный сцинтиллятор из поликарбоната с добавками редкоземельных элементов. Недостатком этого сцинтиллятора является большая длительность высвечивания - от 30 до 40 нс. В патенте нет данных о радиационной стойкости данного сцинтиллятора. И нет оснований для его использования в импульсных высокодозных полях.
Существуют фирмы, производящие пленочные сцинтилляторы. Тонкие сцинтилляционные пленки идеально подходят для регистрации заряженных частиц и применений, требующих быстрого считывания. Компания Saint-Gobain Crystals изготавливает тонкие пленки на основе следующих пластиковых сцинтилляторов: ВС-400, ВС-404, ВС-418, ВС-422. Толщины составляют от 0.5 мм до 0.01 мм. Нет информации по их использованию в высокодозном импульсном режиме.
Таким образом, вышеприведенная информация, касающаяся описания средств детектирования мощного излучения, отражает состояние методических подходов в области определения динамических и интегральных по времени характеристик высокодозных высокоэнергетичных тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, действующих на объекты испытаний, и показывает их ориентированность на случай облучения в стационарных высокодозных полях.
Рассмотрим работы, относящиеся к регистрации импульсного излучения, в том числе способы повышения верхнего измеряемого предела, акцентируя описание на обзоре средств детектирования в рамках методических измерительных подходов.
В [3, стр. 48] упоминается способ повышения радиационной стойкости, связанный с формой сцинтиллятора: радиационная стойкость сцинтилляторов с малой высотой значительно выше, чем у сцинтилляторов, имеющих малый диаметр и большую высоту. Однако в описании этого способа-аналога не приводится конкретных соотношений, связывающих размеры сцинтиллятора и измеряемую дозу.
Известен сцинтилляционный детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения (МРИ) [11]. В детекторе используется полистирольная пластмасса толщиной 100 мкм. Это соответствует полному поглощению для МРИ. Недостаток данного сцинтилляционного детектора состоит в том, что не представлено общей модели радиационного поражения, нет аналитических соотношений. Берется конкретная толщина пластмассы и для нее проверяется стойкость пластмассы в определенном диапазоне плотности потока энергий. Отметим, что механизмы радиационного поражения МРИ могут отличаться от механизмов действия гамма-излучения. Поглощение энергии в сцинтилляторе характеризуется существенным градиентом, в отличие от воздействия гамма-излучения. В данном детекторе не используется зачернение поверхностей сцинтиллятора. Это связано с тем, что любое зачернение торцов пластмассы создают добавочный "мертвый слой" и искажает спектральную характеристику (СХ) детектора МРИ (для гамма-излучения это не существенно). Но тем самым не выделяется прямопрошедшее оптическое излучение. Создаются условия для возникновения рассеянного на стенках сцинтиллятора оптического излучения в сцинтилляторе. Не представлены результаты фоновых экспериментов.
Известен сцинтилляционный детектор регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения [12]. В детекторе используется пленочный пластмассовый сцинтиллятор. Детектор обладает конструктивными преимуществами по сравнению с предыдущим образцом [11], но имеет те же недостатки применительно к нашим заявленным целям. В этом детекторе пленочный сцинтиллятор расположен перпендикулярно падающему МРИ, оптическое излучение выводится вдоль направления падения МРИ по волоконной оптической линии связи (ВОЛС) до ФП. Предполагается, что МРИ полностью поглощается в сцинтилляторе и не воздействует на последующие элементы детектора. Такая схема неприменима для жесткого гамма- излучения или ТИ, которые обладают пробегом в сцинтилляторе в ~ десятки сантиметров.
Существующий экспериментальный опыт, накопленный авторами, в условиях проведения детектирования в высокодозном импульсном режиме позволяет, изучив предпосылки, предложить к выбору в качестве подходящего материала сцинтиллятора сцинтиллятор на основе полистирола.
Рассмотрим возможность использования сцинтиллятора на основе полистирола, для измерения более высоких значений доз. Данные по импульсному радиационному поражению полистирольного сцинтиллятора, содержащего в качестве сцинтиллирующих добавок паратерфенил и РОРОР, приведены, в частности, в [5, 6]. В этих работах показано, что особенностью импульсного облучения сцинтиллятора является мгновенное уменьшение прозрачности и обратимый характер этого уменьшения. В начальные моменты времени уменьшение прозрачности при импульсном облучении на несколько порядков больше, чем при статическом облучении той же дозой.
В целом в работах [5, 6] экспериментально исследованы несколько эффектов радиационного поражения пластмассы при воздействии излучения, получены соответствующие коэффициенты ослабления:
- уменьшение выхода люминисценции (для разных видов излучений)
- необратимого уменьшения прозрачности пластмассы
- обратимого уменьшения прозрачности пластмассы при импульсном облучении. Для времени t<10 мкс соответствующий коэффициент равен
t0
Назовем коэффициент γ коэффициентом начальной обратимой радиационной потери прозрачности пластмассы при импульсном облучении.
Ослабление излучения является экспоненциальным, с показателями, пропорциональными произведению данных коэффициентов и дозе или дозе и толщине пластмассы:
t0
Коэффициент обратимой радиационной потери прозрачности γ(t) максимален в течение 10 мкс после импульсного облучения и является постоянным в течение этого времени, а затем спадает во времени. Мы ограничиваемся рассмотрением времен облучения <10 мкс. На этих временах эффект обратимого уменьшения прозрачности пластмассы на 3-4 порядка больше других и доминирует. В связи с преобладанием последнего процесса, основной параметр при импульсном поражении сцинтиллятора - это коэффициент начальный обратимой радиационной потери прозрачности γ, равный (3) при временах <10 мкс [6].
t0
t0
-3
-1
В [6, стр. 47] приводится погрешность коэффициента γ (для нескорректированного авторами значения), составляющая ±0.54⋅10 (Гр⋅см), что соответствует относительной погрешности δ(γ)≈10%.
В [13] показано, что свойством импульсной обратимой потери прозрачности обладают американские пластмассы NE-102 и MEL 150С.
Ослабление плотности потока оптического излучения ϕ в сцинтилляторе описывается известным классическим соотношением;
где μ - линейный коэффициент ослабления оптического излучения, dx - элемент пути, проходимого оптическим излучением в сцинтилляторе.
В исходном состоянии сцинтиллятор является практически прозрачным, а ослабление оптического излучения появляется при радиационном поражении и проявляется в увеличении прямо пропорционально дозе линейного коэффициента ослабления оптического излучения (на единицу длины):
r
где D(t) -поглощенная доза в пластмассе за импульс,
r
P(t) - мощность (производная по времени) поглощенной дозы.
В целом в работе [6] создана достаточно общая и сложная модель радиационного поражения пластмассового сцинтиллятора, включающая математические выражения, в частности, на стр. 48. Эта модель включает многократное рассеяние оптического излучения от стенок сцинтиллятора. Причем закон рассеивания может быть разным. Выход оптического излучения из сцинтиллятора может происходить под произвольными, в том числе большими углами. Подразумевается, что ФП установлен вплотную к сцинтиллятору.
Повышение радиационной стойкости пластмассы может быть достигнуто математическим восстановлением. В [6, стр. 51] предлагается восстанавливать форму импульса излучения по искаженному из-за радиационного поражения пластмассы сигналу детектора (без ограничения процессов по времени). При этом составляется интегральное уравнение типа свертки, использующее коэффициенты обратимой и необратимой радиационной потери прозрачности и описывающее во времени отклик детектора.
t0
Примем этот способ увеличения верхнего измеряемого дозового предела в качестве прототипа. То есть прототип в соответствии с формулой изобретения характеризуется следующей общей с заявляемым решением последовательностью действий: обеспечивают генерацию оптического излучения при воздействии высокоэнергетичного излучения на сцинтиллятор сцинтилляционного детектора, преобразование оптического излучения на ФП в токовый импульс и последующую регистрацию токового импульса, сцинтиллятор детектора обладает свойством обратимой радиационной потери прозрачности при импульсном облучении, для обеспечения повышения верхнего измеряемого предела при определении интегральных и динамических характеристик излучений учитывают в том числе экспериментальный коэффициент начальной обратимой радиационной потери прозрачности γ.
t0
3
Недостатком прототипа является ограниченность возможности повышения измеряемой дозы. Это ограничение связано, в частности, с погрешностью коэффициента γ. Оценим ослабление оптического излучения в пластмассе толщиной 1 см при дозе 10 Гр:
где t - толщина пластмассы.
t0
При этом относительная погрешность ослабления оптического излучения, связанная с погрешностью коэффициента γ, составит:
t0
Авторы воспользовались формулой переноса погрешности для экспоненциальной зависимости. При больших поражениях пластмассы погрешность восстановления, связанная с погрешностью коэффициента γ, становится неприемлемой. Кроме того, существует много других источников погрешности восстановления. Сама процедура математического восстановления интегрального уравнения в общем случае является некорректной, то есть связанной с дополнительными погрешностями.
Отметим, что многократное отражение оптического излучения от поверхности сцинтиллятора и выход оптического излучения на фотоприемник под произвольными углами приводят к увеличению эффективных размеров сцинтиллятора и ухудшению радиационной стойкости сцинтиллятора.
Таким образом, техническая проблема состоит в разработке способа определения динамических и интегральных по времени характеристик высокодозных полей тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, действующих на объекты испытаний в более широком диапазоне исследуемых доз.
Технический результат состоит в обеспечении возможности повышения измеряемой дозы в более широком диапазоне.
Более развернуто, технический результат может выглядеть следующим образом: увеличение до 100 раз и более верхнего измеряемого предела дозы (свыше 1 кГр) и мощности дозы при регистрации гамма-излучения или ТИ за счет подбора или, иными словами, создания возможности подстраивать толщину сцинтиллятора, обеспечивающую прозрачность для собственного оптического излучения, под конкретную ожидаемую дозу при сохранении в целом амплитуды отклика детектора.
to
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа измерения верхнего предела интегральных и динамических характеристик высокоэнергетичных тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, в котором обеспечивают генерацию оптического излучения при воздействии высокоэнергетичного излучения на сцинтиллятор сцинтилляционного детектора, преобразование оптического излучения на фотоприемнике (ФП) в токовый импульс и последующую регистрацию токового импульса, сцинтиллятор детектора обладает свойством обратимой радиационной потери прозрачности при импульсном облучении, для обеспечения повышения верхнего измеряемого предела при определении интегральных и динамических характеристик излучений учитывают экспериментальный коэффициент начальной обратимой радиационной потери прозрачности γ в предложенном способе оценивают диапазон ожидаемых поглощенных доз; формируют требуемые условия взаимодействия излучения со сцинтиллятором и условия преобразования оптического излучения ФП, для чего обеспечивают однократное прохождение оптического излучения в сцинтилляторе посредством исключения отражения излучения путем зачернения торцов сцинтиллятора, кроме торца, обращенного к ФП; с помощью задания положения ФП на удалении от сцинтиллятора фиксируют предполагаемый интервал углов вылета оптического излучения из сцинтиллятора, позволяющий обеспечить пробег оптического излучения в сцинтилляторе, равный толщине сцинтиллятора t, либо однозначно связанный с толщиной сцинтиллятора t; задают коэффициент объемного уменьшения прозрачности сцинтиллятора в соответствии с соотношением
где D - ожидаемая поглощенная доза в пределах диапазона;
- искомый пробег оптического излучения в сцинтилляторе; задают, исходя из требований к точности эксперимента, критерий допустимого поражения сцинтиллятора η; определяют пробег оптического излучения в сцинтилляторе путем решения относительно  уравнения
определяют толщину сцинтиллятора t; повышение верхнего измеряемого предела интегральных и динамических характеристик обеспечивают посредством выбора определенной из вышеназванной последовательности действий толщины сцинтиллятора, осуществляя подстраивание толщины под дозу, причем в соответствии с заданным диапазонам доз верхней максимальной дозе соответствует найденная в соответствии с заявленной последовательностью действий толщина сцинтиллятора, нижняя доза ограничена чувствительностью детектора.
Кроме того, в конкретном варианте реализации заявляемого способа сцинтиллятор детектора может быть изготовлен на основе полистирола, содержащего в качестве сцинтиллирующих добавок паратерфенил и РОРОР.
Кроме того, при конкретной реализации способ может отличаться тем, что
- удаленное положение ФП от сцинтиллятора достигается использованием воздушного световода, ориентированного перпендикулярно или под тупым углом к падающему излучению;
-при этом параметры световода выбирают, исходя из необходимости вывода ФП из пятна гамма-излучения или ТИ и малости угла пролета оптического излучения вдоль относительно оси световода, что обеспечивает фиксацию интервала углов вылета оптического излучения из сцинтиллятора.
Способ измерения верхнего предела интегральных и динамических характеристик может отличаться тем, что стенки световода обладают определенной отражательной способностью, что позволяет увеличить чувствительность системы.
Способ измерения верхнего предела интегральных и динамических характеристик в конкретной реализации может отличаться тем, что дополнительно в начале световода производится зачернение внутренней поверхности, например, с помощью черной бумаги, высота которой определяется из условия обеспечения малости угла пролета оптического излучения вдоль оси световода. Это обеспечивает сохранение временного разрешения детектора.
Таким образом, данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа для повышения верхней измеряемой дозы авторами предлагается усовершенствовать способ в направлении выбора толщины пластмассы в сторону ее уменьшения, то есть использовать значительное уменьшение толщины пластмассы. Для получения критерия выбора толщины пластмассы следует изменить условия выхода оптического излучения из сцинтиллятора. Эти изменения нужны, как будет показано далее, для получения однозначной связи пробега оптического излучения в сцинтилляторе с толщиной сцинтиллятора и сохранения временного разрешения детектора.
Предлагаемые нами изменения заключаются в следующем.
Во-первых, исключается отражение оптического излучения внутри сцинтиллятора и обеспечивается однократное прохождение оптического излучения через сцинтиллятор. Для этого все торцы сцинтиллятора, кроме выходного, подвергаются зачернению.
Во-вторых, вылет оптического излучения из сцинтиллятора должен осуществляться в малом или фиксированном интервале углов относительно его оси.
Для обеспечения вылета оптического излучения в фиксированном интервале углов используется удаление ФП от сцинтиллятора в сторону, перпендикулярную направлению распространения гамма- или тормозного излучения. Используется воздушный цилиндрический световод, обеспечивающий наиболее высокую радиационную стойкость (и, естественно, защиту от внешнего светового воздействия). Другим преимуществом удаления и использования световода является вывод ФП из области воздействия ТИ. Длина световода L должна обеспечивать вывод ФП из пятна гамма-излучения или ТИ.
Поясним параметры распространения оптического излучения в световоде и сцинтилляторе. Оптическое излучение выводится вдоль оси световода под малыми углами к его оси. Малый угол обеспечивается выбором диаметра световода d исходя из условия
где L, d - длина и диаметр световода. (Диаметр ФП примерно равен или несколько меньше диаметра световода.)
В итоге должен обеспечиваться малый угол прохождения оптического излучения, для которого примем следующие условия
Стенки световода могут быть как черными, так и обладать определенной отражательной способностью. Отражение оптического излучения позволяет повысить телесный угол вылета оптического излучения и чувствительность системы.
В случае наличия отражательной способности стенок световода необходимо исключить возможность попадания на ФП оптического излучения, отраженного от стенок световода под большими углами. Для этого, например, стенки световода вблизи сцинтиллятора обкладываются черной бумагой. Подбором длины черной бумаги обеспечивается малый угол прохождения оптического излучения с условием (9), что эквивалентно следующему
где h - высота черной бумаги в световоде,
d - внутренний диаметр световода.
Время пролета оптического излучения по воздушному световоду составляет
где с - скорость света.
Условия для угла вылета оптического излучения из сцинтиллятора (9) обеспечивает практическое отсутствие временного размытия оптического излучения по световоду, которое определяется формулой
В случае совпадения оси сцинтиллятора с осью световода это же условие (9) с запасом обеспечивает условие для пробега оптического излучения в сцинтилляторе
где ϑ' - угол падения оптического излучения на поверхность сцинтиллятора.
Дело в том, что угол падения оптического излучения на поверхность сцинтиллятора ϑ' всегда меньше угла вылета ϑ в силу известного из геометрической оптики закона преломления света. Для полистирола показатель преломления n=1.59.
Отметим, что при импульсной ионизации сцинтиллятора возможно уменьшение коэффициента преломления. У авторов нет достоверных сведений об этом процессе. Но при этом условие (13) не меняется.
Вместе все принятые меры позволяют фиксировать пробег оптического излучения в сцинтилляторе, практически равным толщине сцинтиллятора, и не ухудшить временное разрешение детектора.
t0
Критерий толщины пластмассы, при котором радиационная потеря прозрачности является незначительной, получается на основе использования коэффициента начальной обратимой радиационной потери прозрачности γ. Процесс получения критерия следующий.
Из соотношения (4) выводится коэффициент объемного уменьшения прозрачности пластмассы, равный:
где D - доза в пластмассе за импульс,
- пробег оптического излучения в сцинтилляторе.
Объемный коэффициент (14) получен в предположении однократного прохождения оптического излучения по сцинтиллятору.
v
v
Для прозрачного сцинтиллятора K=1. Принимаем допустимое уменьшение коэффициента K до значения 0.95, то есть уменьшение η=5%. Допустимое уменьшение коэффициента Kv-η=5% или другое значение выбираются из требований конкретного эксперимента. Далее численно решается на ПЭВМ уравнение
относительно х, получается значение х=0.103. Пробег оптического излучения, при котором импульсное уменьшение прозрачности сцинтиллятора составляет не более 5%, определяется из равенства
v
v
Потеря прозрачности в 5% - это потеря при дозе после окончания импульса воздействия. В течение импульса воздействия коэффициент K постепенно уменьшает свое значение, так как μ меняет свое значение в соответствии с (5). В начальные моменты и в середине импульса воздействия детектор более точно измеряет параметры излучения, чем в конце импульса. По этой причине доза и длительность измеряются с лучшей погрешностью по сравнению с заданной для коэффициента K.
В случае совпадения оси сцинтиллятора с осью световода толщина сцинтиллятора определяется из условия
Принятый косинус угла вылета оптического излучения, превышающий значение 0.95, может привести к потере прозрачности сцинтиллятора до значения в 5.25%, что практически близко к исходному.
v
t0
v
t0
t0
t0
t0
При малых ослаблениях света коэффициент K линейно зависит от пробега оптического излучения, а также параметров γ, D и их произведения. Это также означает устойчивость коэффициента K к погрешности и возможным изменениям коэффициента γ, в отличии от прототипа. При η=5% перенос погрешности γ, D составляет 1/20. Например, если погрешность коэффициента γ составляет 10%, то это может привести к изменению η с 5% до 5.5%, что допустимо в большинстве случаев. Если значение дозы на детекторе (или коэффициент γ для какого - либо типа пластмассы) превысили ожидаемые значения в два раза, то это приводит к изменению η с 5% до 10%, что также допустимо во многих случаях.
Тем не менее, под приводимыми ожидаемыми значениями доз следует понимать дозу на верхнем пределе диапазона.
v
В таблице приведены значения толщин пластмассового сцинтиллятора, при которых уменьшение прозрачности, то есть уменьшение коэффициента K (14) не более 5%, для разных значений доз.
Возможность регистрации отклика детектора при значительном уменьшении толщины пластмассы основана на соотношениях между толщиной пластмассы t и дозой D (16), (17), из которых следует, что
При этом выход оптического излучения, рождаемого в сцинтилляторе, пропорционален энергии, оставленной гамма-излучением в сцинтилляторе:
где m, ρ, V, S - соответственно масса, плотность, объем и площадь сечения сцинтиллятора.
То есть из требования сохранения прозрачности сцинтиллятора и свойств коэффициентов потери прозрачности следует, что с одновременным уменьшением толщины сцинтиллятора (и уменьшением чувствительности детектора) и ростом дозы выход оптического излучения не уменьшается. А это означает примерное сохранение амплитуды отклика с детектора и возможность его регистрации.
На фиг. 1-3 приведены варианты расположения пленочного сцинтиллятора в световоде, где 1 - сцинтиллятор, 2 - световод для передачи оптического излучения к ФП, 3 - черная бумага, 4 - зеркало.
Схема измерений с помощью детектора СД-пл в целом приведена на фиг. 4, где 5 - ФП, 6 - кабель передачи токового импульса к регистратору.
На фиг. 5 приведена осциллограмма импульса с детектора СД-пл.
v
Остановимся на значении дозы, близкой к максимальному значению для ЛИУ-30. Из таблицы следует, что импульсное воздействие ТИ с дозой 1 кГр (100 крад) возможно измерять сцинтилляционным детектором с толщиной пластмассы 160 мкм. Данная толщина определяется в соответствие с вышеописанной процедурой задания параметра уменьшения прозрачности сцинтиллятора η=5% и решения уравнения (15), включающего в себя объемный коэффициент ослабления оптического излучения K. Назовем предлагаемый детектор СД-пл (пленочный). Используемая нами пленка полистирола с толщинами несколько сот микрон является продуктом вытяжки нагретого полистирола. Полистирол содержит в качестве сцинтиллирующих добавок паратерфенил и РОРОР. Конкретно использованный сцинтилляционный детектор содержит пленочный сцинтиллятор в виде диска ∅2 см × 180 мкм. (Толщина получена при изготовлении, она несколько больше расчетной толщины 160 мкм и приводит к уменьшению прозрачности сцинтиллятора до 5.6%, что является допустимым увеличением.) Торцы сцинтиллятора были зачернены, кроме торца, обращенного к ФП. Сцинтиллятор помещен в алюминиевый воздушный световод длиной 65 см с толщиной стенок не более 1 мм, на другом конце которого находится ФП. Длина световода практически обеспечивает вывод ФП из зоны воздействия пучка ТИ. При удалении ФП от ЧЭ максимально снижается фоновая светимость стекол в ФП под действием рассеянного ТИ. Эта светимость может иметь значение при субмиллиметровых толщинах сцинтиллятора. Вблизи сцинтиллятора стенки световода обкладываются черной бумагой длиной 10 см.
Время пролета оптического излучения по данному световоду составляет ΔТ=2.1 не. Обеспечение условия для угла вылета оптического излучения cosϑ>0.95 приводит с учетом отражений на стенках световода к размытию времени пролета на величину, не превышающую
что является приемлемым для данных измерений.
Наличие отражений на стенках световода повышает чувствительность детектора, но не ухудшает его временного разрешения.
Варианты расположения пленочного сцинтиллятора в световоде приведены на фиг.1-3. Для уменьшения поперечных габаритов детектора сцинтиллятор может располагаться вдоль оси трубы-световода, при этом оптическое излучение перерассеивается на ФП с помощью тонкого металлического зеркала, фиг.2, а также под углом к световоду, фиг. 3
При установке сцинтиллятора под углом в 45° толщина сцинтиллятора, обеспечивающая прозрачность сцинтиллятора, определяется условием (16) с дополнительным коэффициентом, определяемым углами прохождения оптического излучения в световоде:
Схема измерений с помощью детектора с пленочным сцинтиллятором СД-пл в целом приведена на фиг.4.
Предлагаемый детектор СД-пл был отработан в измерениях на ЛИУ-30. На фиг.5 приведена осциллограмма с детектора СД-пл. Были проведены также фоновые измерения, в которых в детекторе отсутствовал сцинтиллятор. Сравнение фоновой и рабочей осциллограммы показывает, что отклик детектора СД-пл связан именно с эффектом в сцинтилляторе. Вклад фоновых компонентов составляет менее 5%. В том числе расчетная оценка вклада свечения воздуха составляет 1.4%.
Проведенные измерения показывают работоспособность детектора при импульсных поглощенных дозах вплоть до ~1 кГр. Детектор СД-пл может измерять дозы ТИ, реализуемые на поверхности мишени ЛИУ-30 и меньшие значения доз на удалении от мишени. Временного разрешения детектора в несколько наносекунд достаточно для регистрации временных зависимостей характеристик ТИ длительностью – 20 нс. Характеристики регистрируемых излучений определяются на основе чувствительности детектора, исходя из конкретной редакции измерений.
Данный сцинтиллятор на основе полистирола является отработанным сцинтиллятором. Работа с пленками из полистирольного сцинтиллятора является технологичной. Достигаемое нами увеличение верхнего измеряемого предела является достаточным для измерений на ускорителе ЛИУ-30.
Заявляемый способ измерения верхнего предела может быть применим к другим пластмассам, которые обладают свойством импульсной обратимой потери прозрачности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Павловский А.И., Босамыкин B.C., Герасимов А.И., Тананакин B.A., Федоткин А.С., Морунов K.A., Басманов В.Ф., Скрипка Г.М., Тарасов А.Д., Гордеев B.C., Гришин A.B., Анфиногенов В.Я., Грицына В.П., Аверченков В.Я., Лазарев С.А., Горкунов B.C., Вересов В.П., Кошелев А.С, Одинцов Ю.М. Мощный линейный импульсный ускоритель пучка электронов на радиальных линиях ЛИУ-30. ПТЭ, №2, 1998 г. - С. 13-25.
2. Моделирующие и облучательные комплексы и установки РФЯЦ-ВНИИЭФ. Завьялов Н.В., Гордеев B.C., Савченко В.А., Грунин А.В. и др. // Физика и техника высоких плотностей энергии: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011. - С. 165-191.
3. Средства диагностики однократного импульсного излучения. Сб. Трудов НИИИТ. Составители Веретенников А.И., Даниленко К.Н. М., ИздАТ.1999. 250 с.
4. Веретенников А.И., Горбачев В.М., Предеин Б.А. Методы исследования импульсных излучений. М, Энергоатомиздат, 1985.
5. Е.Д. Береговенко, В.М. Горбачев, Н.А. Уваров. О радиационной стойкости сцинтиллирующих пластмасс. Атом. Энергия. 1973. Т. 34. Вып. 2. С. 124.
6. Горбачев В.М., Семенов В.И., Гуров Г.А. Радиационная стойкость пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола при импульсном облучении. ПТЭ №1, стр. 46-52, 2000 г.
7. Голубев Б.П., Дозиметрия и защита от ионизирующего излучения. М., Атомиздат, 1976.
8. Патент RU 2577088 С2, Рыкалин В.И., ИФВЭ, 2015.
9. Патент RU 2150128 С1, Сурин Н.М., НИФХТИ им. Л.Я. Карпова, 1999 г.
10. Патент RU 2388017 С1, Артамонова Э.В., СНИИП-КОНВЭЛ, 2009.
11. Ю.Я. Нефедов, П.Л. Усенко "Сцинтилляционный детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения", ПТЭ, 2016, N1, с. 113-117.
12. Патент RU 2643219 С1, Репьев А.Г., Покровский B.C., Репин П.Б., Ибрагимов М.Ш., ВНИИЭФ, 2017.
13. IEEE Transaction. "Transient nonlinear response of plastic scintillators", J. Stevens and R.B. Knowlen. Volume NS-15, No. 3, 1968, p. 136-143.