УСТРОЙСТВО НЕЙТРОННОЙ РАДИОГРАФИИ
NEUTRON RADIOGRAPHY APPARATUS

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры посредством нейтронной радиографии, и может быть использовано для досмотра или неразрушающего контроля просвечиваемых объектов с определением их внутренней структуры и вещественного состава.
Известно устройство для радиографии и томографии, содержащее источник проникающего излучения, оптическую систему регистрации излучения, содержащую экран-преобразователь, выполненный в форме пластины, отклоняющее зеркало, объектив, фотоприемник. Патент Российской Федерации №2293971, МПК: G01N 23/222, 2007 г.
Недостатком устройства являются ограничения на размер чувствительной площади экрана-преобразователя, связанные с уменьшением эффективности регистрации при увеличении площади из-за уменьшения количества света, переносимого на фотоприемное устройство.
Известно устройство для определения состава и структуры неоднородного объекта, содержащее источник проникающего излучения, систему перемещения объекта относительно источника излучения, блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, систему получения изображения объекта по поглощенному излучению, включающую координатно-чувствительный детектор, и систему получения изображения объекта по угловому рассеянию, содержащую координатно-чувствительные детекторы. Патент Российской Федерации №2119660, МПК: G01N 23/201, 1998 г. Прототип.
Недостатками устройства являются: низкая чувствительность к водородосодержащим веществам из-за малого сечения малоуглового рассеяния; техническая сложность, связанная с использованием: блока формирования потока излучения в направлении объекта и пространственных фильтров, установленных перед системой получения изображения объекта; наличие ограничений на размер и вещественный состав просвечиваемого объекта.
Техническим результатом изобретения является расширение области применения радиографического определения внутренней структуры и вещественного состава просвечиваемых объектов; повышение информативности; уменьшение влияния рассеянного излучения; упрощение конструкции измерительной установки.
Технический результат достигается тем, что устройство нейтронной радиографии с источником проникающего излучения, системой перемещения объекта относительно источника излучения, блоком формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, системой получения изображения объекта по поглощенному излучению, содержит линейные нейтронные детекторы, установленные параллельно друг другу с обеих сторон от просвечиваемого объекта и гамма спектрометр, схему временного анализа событий, зарегистрированных в элементах позиционно-чувствительного детектора альфа частиц и в элементах линейных однокоординатных детекторах быстрых нейтронов, экраны для линейных детекторов, расположенных перед просвечиваемым объектом со стороны источника от нейтронов источника, идущих напрямую, а источник проникающего излучения выполнен в виде генератора нейтронов с позиционно-чувствительным детектором альфа частиц.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, где: 1 - мишень нейтронного генератора; 2 - позиционно-чувствительный детектор альфа частиц; 3 и 4 - линейные однокоординатные детекторы быстрых нейтронов, расположенные в плоскости перпендикулярной плоскости рисунка; 5 -просвечиваемый объект (стрелкой показано направление перемещения объекта), 6 - веерные пучки быстрых нейтронов в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка, 7 - гамма спектрометр.
На фиг.2 представлено расположение тех же элементов устройства относительно друг друга.
Линейные однокоординатные детекторы быстрых нейтронов 3, установленные перед просвечиваемым объектом 5 со стороны источника, служат для регистрации нейтронов, рассеянных в просвечиваемом объекте 5 в обратном направлении. Для этого они экранированы от нейтронов источника, идущих напрямую с помощью водородосодержащих веществ.
Линейные однокоординатные детекторы быстрых нейтронов 4, установленные за просвечиваемым объектом 5 от источника, служат для регистрации нейтронов, прошедших через просвечиваемый объект 5 без рассеяния и рассеявшихся в нем в направлении вперед.
Для разделения этих нейтронов измеряют временной интервал между моментом прихода альфа частиц на элемент позиционно-чувствительного детектора альфа частиц 2 и моментом регистрации быстрого нейтрона соответствующим элементом линейного однокоординатного детектора быстрых нейтронов 4.
Нейтроны, зарегистрированные в пределах интервала времени, определяемого расстоянием между источником и данным элементом линейного однокоординатного детектора быстрых нейтронов 4, а также скоростью нейтронов, пришли от источника напрямую. В то время нейтроны, пришедшие при больших временах, претерпели рассеяние.
Для получения радиографических данных просвечиваемый объект 5 перемещают вдоль плоскости, в которой расположены линейные однокоординатные детекторы быстрых нейтронов 3 и 4.
Получают набор из нескольких радиографических изображений, показывающих пространственное распределение ослабления нейтронного пучка, пространственное распределение нейтронов, рассеянных вперед и обратно. Положение той или иной области внутри просвечиваемого объекта 5 определяют с помощью стереоскопических изображений, полученных разными детекторами.
Пространственное разрешение радиографических изображений определяют поперечным сечением элементов линейных однокоординатных детекторов быстрых нейтронов 3 и 4, скоростью перемещения просвечиваемого объекта 5 и временем набора сцинтилляционных сигналов с линейных однокоординатных детекторов быстрых нейтронов 3 и 4.
Каждый элемент линейного однокоординатного детектора быстрых нейтронов 3 и 4 состоит из сцинтиллятора, фотоприемника, электроники считывания и предварительной обработки сигнала, электроники передачи данных в компьютерный блок.
Регистрация быстрых нейтронов основана на возникновении в сцинтилляторе протонов отдачи, которые возбуждают в нем сцинтилляционные вспышки. Часть фотонов от сцинтилляционной вспышки поступает на фотоприемник, образуют в нем в результате фотоэффекта электроны, которые затем регистрируют электроникой считывания.
Сторона прямоугольного сечения пластмассовых сцинтилляторов, применяемых для быстрых нейтронов, в случае источника в виде портативного нейтронного генератора обычно составляет от 1 мм до 20 мм. Длина сцинтиллятора вдоль пучка, необходимая для эффективной регистрации быстрых 14 МэВ нейтронов, составляет около 10 см. Для повышения доли сцинтилляционных фотонов, приходящих на фотоприемник, поверхность сцинтиллятора покрыта светоотражающим слоем. В качестве фотоприемника чаще всего используют фотодиоды, устанавливаемые на торцевую поверхность сцинтиллятора со стороны противоположной просвечиваемому объекту.
Для идентификации просвечиваемого объекта 5, устанавливают возможные погрешности измерения коэффициентов ослабления нейтронного излучения и доли нейтронов, рассеянных вперед и назад под углами, для соответствующих положений линейных однокоординатных детекторов быстрых нейтронов 3 и 4. Определяют с помощью компьютерной программы возможный набор веществ, соответствующий выбранным погрешностям, после чего полученные данные обрабатывают с помощью компьютерной программы и идентифицируют материалы. При использовании дополнительных гамма-спектрометров в базу данных вводят также гамма-спектры для различных веществ и погрешности их измерения.
Мишень нейтронного генератора 1 бомбардируют узким дейтронным пучком. При взаимодействии дейтрона с содержащимся в мишени нейтронного генератора 1 ядром трития возникают две частицы, вылетающие в противоположных направлениях: быстрый нейтрон и альфа частица.
Момент регистрации альфа частицы позиционно-чувствительным детектором альфа частиц 2 определяет момент и направление вылета быстрого нейтрона, а также элементы нейтронного линейного детектора 4, на один из которых приходит нейтрон в данный момент времени, если он проходит через просвечиваемый объект 5 без взаимодействия. Нейтроны, пришедшие в другие моменты времени, претерпевают рассеяние либо в просвечиваемом объекте 5, либо в элементах установки. Линейный однокоординатный детектор быстрых нейтронов 4 служит для регистрации одновременно нейтронов, прошедших без рассеяния, т.е. в заданном временном интервале после прихода альфа частицы на соответствующий элемент позиционно-чувствительного альфа детектора 2, и для регистрации нейтронов, рассеянных вперед, в случае их прихода на детектор при больших временах. Линейный однокоординатный детектор быстрых нейтронов 3 регистрирует обратно рассеянные нейтроны. Число встроенных линейных альфа детекторов определяет число используемых нейтронных веерных пучков и, соответственно, число элементов линейного однокоординатного детектора быстрых нейтронов 4. Угловое расстояние между веерными пучками больше углового размера пучка, и определяется из расстояния между мишенью генератора 1 и позиционно-чувствительным детектором альфа частиц 2, размера пучка дейтронов на мишени нейтронного генератора 1 и пространственного разрешения позиционно-чувствительного детектора альфа частиц 2. Получение радиографических изображений в прошедших и рассеянных пучках получают при перемещении просвечиваемого объекта 5 перпендикулярно плоскости виртуальных нейтронных веерных пучков, сформированных заданным заранее временным интервалом между регистрацией альфа частицы и сигналом с соответствующего элемента линейного нейтронного детектора. Такое формирование нейтронных пучков называется также электронной коллимацией.
При регистрации нейтронов, прошедших без рассеяния, одному элементу альфа детектора могут соответствовать один или несколько рядом расположенных элементов одного и того же нейтронного детектора. Число таких элементов определяется поперечным сечением элемента, размером пучка дейтронов на мишени, пространственным разрешением альфа детектора и расстояниями между мишенью генератора 1 и позиционно-чувствительным детектором альфа частиц 2, а также расстоянием от мишени нейтронного генератора 1 до линейного однокоординатного детектора быстрых нейтронов 4. Регистрация рассеянных нейтронов повышает надежность определения вещественного состава, поскольку известно, соотношение числа нейтронов, рассеянных вперед и назад, зависящее от вещественного состава просвечиваемого объекта 5. Это связано с тем, что на водороде быстрые нейтроны рассеиваются вперед, а на более тяжелых элементах - практически изотропно.
Измерение интенсивностей нейтронов, рассеянных в направлении вперед и назад, повышает надежность идентификации вещественного состава объекта. При использовании не линейных, а двухкоординатного альфа детектора и гамма спектрометров 7 возможно одновременно с получением радиографических изображений получать информацию о химическом его составе по спектру гамма излучения, возникающего в результате неупругого рассеяния быстрых.