Стенд для исследования радиационно-защитных свойств материалов

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и определения количественного состава, а более конкретно, к контрольно-измерительной аппаратуре для исследования радиационно-защитных свойств материалов, в том числе в виде ленты или листа, и может быть использована при контроле состава и качества материала в процессе производства или изготовления из него защитных средств.
Работа устройства основана на определении изменения интенсивности потока ионизирующего излучения после его взаимодействия с исследуемым веществом (см., например, [Румянцев С.В., Штань А.С., Гольцев В.А. Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля / Под ред. С.В. Румянцева - М.: Энергоиздат, 1982. 240 с.], [G. Nelson, D. Reilly "Gamma-Ray Interactions with Matter", in Passive Nondestructive Analysis of Nuclear Materials, Los Alamos National Laboratory. 1991. PP. 27-42. - http://www.lanl.gov/orgs/n/n1/panda/00326397.pdf]).
Из существующего уровня техники известны лабораторные стенды и установки для изучения абсорбционных и, соответственно, защитных характеристик различных материалов (см., например, [S. El-Fiki et al. / Influence of Bismuth Contents on Mechanical and Gamma Ray Attenuation Properties of Silicone Rubber Composite // International Journal of Advanced Research (2015). Volume 3. Issue 6. PP. 1035-1039], [КАНГ Кеджун и др. Способ проверки объекта с использованием мультиэнергетического излучения и установка для его осуществления. Патент РФ №2 351 921, G01N 23/083, 2006]), которые содержат источник ионизирующего излучения, исследуемый образец материала, детектор ионизирующего излучения, прошедшего через образец, систему регистрации и обработки сигналов с детектора. Подобные устройства используются для изучения абсорбционных характеристик в локальных областях образцов и не обеспечивают возможность изучения и контроля пространственного распределения их состава. Поэтому эти устройства имеют ограниченные функциональные возможности.
Также известен стенд для исследования радиационно-защитных свойств материалов, содержащий станину с параллельными вертикальными стойками и горизонтальным основанием, расположенные на одной оптической оси источник ионизирующего излучения, установленный в корпусе с радиационной защитой, коллиматор источника, детектор ионизирующего излучения, прошедшего через образец, установленный в корпусе с радиационной защитой, и коллиматор детектора, а также систему регистрации и обработки сигналов с детектора [Siqi Xu. A Novel Ultra-light Structure for Radiation Shielding / A thesis submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science (Under the direction of Mohamed A. Bourham and Afsaneh Rabiei) // Nuclear Engineering, Raleigh, North Carolina. 2008. - http://repository.lib.ncsu.edu/ir/bitstream/1840.16/606/1/etd.pdf].
Известное решение предназначено для исследования радиационно-защитных свойств материалов и обеспечивает измерение изменения интенсивности потока ионизирующего излучения после его взаимодействия с исследуемым веществом, но не обеспечивают, например, возможность изучения и контроля пространственного распределения состава образца.
Таким образом, известные технические решения имеют ограниченные функциональные возможности.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей стенда для исследования радиационно-защитных свойств материалов.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является обеспечение возможности изучения и контроля пространственного распределения состава образца, в том числе выполненного в виде листа или ленты.
Указанный результат достигается тем, что в стенде для исследования радиационно-защитных свойств материалов, содержащем станину с параллельными вертикальными стойками и горизонтальным основанием, расположенные на одной оптической оси источник ионизирующего излучения, установленный в корпусе с радиационной защитой, коллиматор источника, детектор ионизирующего излучения, прошедшего через образец, установленный в корпусе с радиационной защитой, и коллиматор детектора, а также систему регистрации и обработки сигналов с детектора, основание станины, выполнено в виде параллельных балок, стойки станины неподвижно соединены с балками основания или установлены на них, а между стойками и между балками основания станины неподвижно закреплены горизонтальные направляющие, на которых размещены подвижные каретки. Расстояния между стойками и балками станины и длины горизонтальных направляющих выбирают большими, чем ширина исследуемого образца материала, который может быть листовым или выполнен в виде ленты, протягиваемой между стойками. При этом источник размещен на каретке направляющей между балками основания, а каретка направляющей между стоек выполнена с вертикальной направляющей с подвижной кареткой, на которой размещен детектор. Все каретки выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих направляющих и с управляемыми компьютером приводами. Горизонтальные перемещения источника и детектора осуществляются синхронно, соосно и параллельно друг другу. Вдоль сторон горизонтальной направляющей источника параллельно установлены вращающиеся валки на уровне выше коллиматора источника. Источником излучения является по крайней мере один радиоактивный изотоп, излучающий гамма- и/или бета-излучение, а детектором ионизирующего излучения является, соответственно, детектор гамма- или бета-излучения. В качестве системы регистрации и обработки сигналов с детектора использован программируемый цифровой сигнальный процессор, управляемый компьютером.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема стенда для исследования радиационно-защитных свойств материалов, где:
1 - источник ионизирующего излучения,
2 - корпус источника с радиационной защитой,
3 - коллиматор источника,
4 - исследуемый образец материала,
5 - детектор ионизирующего излучения,
6 - корпус детектора с радиационной защитой,
7 - коллиматор детектора,
8 - программируемый цифровой сигнальный процессор,
9 - персональный компьютер.
На фиг. 2 показана схема неподвижных элементов стенда, где:
10 - станина,
11 - горизонтальное основание станины,
12 - стойки станины,
13 - балки основания станины,
14, 15 - горизонтальные направляющие,
16 - вращающиеся валки.
На фиг. 3 показана схема подвижных элементов стенда, где:
1 - источник ионизирующего излучения (корпус с радиационной защитой не показан),
5 - детектор ионизирующего излучения (корпус с радиационной защитой не показан),
14, 15 - горизонтальные направляющие,
17, 18, 19 - подвижные каретки,
20 - управляемый компьютером привод.
На фиг. 4 показана сборочная схема стенда, где:
1 - источник ионизирующего излучения (корпус с радиационной защитой не показан),
5 - детектор ионизирующего излучения (корпус с радиационной защитой не показан),
12 - стойки станины,
13 - балки основания станины,
14, 15 - горизонтальные направляющие,
16 - вращающиеся валки,
17, 18, 19 - подвижные каретки.
152
На фиг. 5 показаны амплитудные спектры с детектора, полученные при облучении образца γ-излучением источника Eu.
Стенд для исследования радиационно-защитных свойств материалов включает станину 10 с параллельными вертикальными стойками 12 и горизонтальным основанием 11, расположенные на одной оптической оси, источник 1 ионизирующего излучения, установленный в корпусе 2 с радиационной защитой и коллиматором 3, исследуемый образец 4 материала, детектор 5 ионизирующего излучения, прошедшего через образец, установленный в корпусе 6 с радиационной защитой и коллиматором 7, а также программируемый цифровой сигнальный процессор 8, управляемый компьютером 9. Основание 11 станины 10, выполнено в виде параллельных балок 13. Стойки 12 станины 10 неподвижно соединены с балками 13 основания 11 или установлены на них. Между стойками 12 и между балками 13 основания 11 станины 10 неподвижно закреплены горизонтальные направляющие 14 и 15, на которых размещены подвижные каретки 17 и 18. Расстояния между стойками 12 и балками 13 станины 10 и длины горизонтальных направляющих 14 и 15 выбирают большими, чем ширина исследуемого образца 4 материала, который может быть листовым или выполнен в виде ленты, протягиваемой между стойками 12. При этом источник 1 размещен на каретке 18 направляющей 15 горизонтального основания 11, а каретка 17 направляющей 14 выполнена с вертикальной направляющей с подвижной кареткой 19, на которой размещен детектор 5. Каретки 17, 18 и 19 выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих направляющих с управляемым компьютером 9 приводами 20. Горизонтальные перемещения источника 1 и детектора 5 осуществляются синхронно, соосно и параллельно друг другу. Для поддержки исследуемого образца 4 материала вдоль сторон горизонтальной направляющей 15 источника 1 параллельно установлены вращающиеся валки 16 на уровне выше коллиматора 3 источника 1. Источником излучения является по крайней мере один радиоактивный изотоп, излучающий гамма- и/или бета-излучение, а детектором ионизирующего излучения является, соответственно, детектор гамма- или бета-излучения.
Устройство работает следующим образом.
137
57
152
186
Облучение исследуемых образцов материалов производят узким коллимированным пучком гамма-квантов изотопного источника, в качестве которого используют как стандартные гамма-источники ОСГИ (Cs Еγ=662 кэВ, Со Еγ=122 кэВ, и др.), так и источники, активированные на нейтронном источнике ИН-ЛУЭ Института ядерных исследований (Eu (Еγ=122 и 344 кэВ), Re (Еγ=137 кэВ) и др.). Использование широкого диапазона энергий источников позволяет с хорошей точностью определять коэффициент линейного ослабления и содержание тяжелых элементов в материале. Гамма-излучение, прошедшее через образец, измеряют сцинтилляционным детектором на основе кристалла 5×5 см NaI(Tl) и ФЭУ-143. Измерения проводят в присутствии и отсутствии образца. Отдельно проводят измерение фона в отсутствии источника (см. фиг. 5). При этом сигналы непосредственно с ФЭУ детектора в виде осциллограмм оцифровывают цифровым сигнальным процессором типа CAEN DT 5720 и записывают на компьютер. Дальнейшую обработку осуществляют в режиме off-line. Запись информации в виде осциллограмм позволяет учитывать изменения формы сигнала (например, базовой линии и т.д.) при больших и малых загрузках детектора (связанных с быстрым изменением интенсивности короткоживущих источников) во время измерения без привлечения дополнительной аппаратуры. Изменение формы сигнала также приводит к ошибкам в вычислении площадей пиков, особенно близко лежащих. При обработке учитывают изменение спектра короткоживущих источников. Конструкция стенда позволяет проводить поперечное перемещение пары источник-детектор (сканирование) при продольном перемещении образца между стойками для исследования однородности протяженных образцов материалов.
Таким образом, использование настоящего технического решения существенно расширяет функциональные возможности стендов для исследования радиационно-защитных свойств материалов. Заявляемый стенд может найти широкое применение в промышленности в качестве контрольно-измерительной аппаратуры для исследования радиационно-защитных свойств материалов, в том числе в виде ленты или листовых материалов, и может быть использован при контроле состава и качества материала в процессе производства или изготовления из него защитных средств.