УСТРОЙСТВО С ПОЛУСФЕРИЧЕСКОЙ ЗОНОЙ ОБЗОРА ДЛЯ ПОИСКА ИСТОЧНИКОВ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE WITH A HEMISPHERICAL ZONE OF VIEW FOR SEARCHING FOR SOURCES OF PHOTON RADIATION

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при радиационном мониторинге в качестве портативного средства поиска и определения направления на источник фотонного излучения по двум угловым координатам в телесном угле 2π стерадиан.
Источники фотонного излучения высокой активности, попавшие в окружающую среду вследствие различных чрезвычайных происшествий, представляют серьезную опасность для здоровья и жизни человека и должны быть незамедлительно изъяты и помещены в соответствующие хранилища. Как правило, местонахождение и точные координаты радиоактивного загрязнения в районе чрезвычайного происшествия заранее неизвестны. Следовательно, первоочередной задачей ликвидации последствий радиационной катастрофы является локализация источников фотонного излучения на местности при помощи технических средств определения координат радиоактивного загрязнения. Одной из важнейших технических характеристик таких средств является время локализации источника фотонного излучения, так как длительное время поиска приводит к значительному увеличению дозовой нагрузки на ликвидаторов радиационной аварии. Существенным образом сократить время локализации поможет портативное устройство, обладающее высокой чувствительностью к фотонному излучению, широкой зоной зрения и при этом обеспечивающее высокую точность измерения угловых координат источника излучения. Такие характеристики устройства позволят получить данные о характере радиоактивного загрязнения при отсутствии необходимости приближения к источнику и сканирования местности в непосредственной близости от него, не подвергая излишней опасности ликвидаторов.
Известно «Устройство для определения местоположения источника гамма-излучения» [1], содержащее два идентичных сцинтилляционных детектора с предварительно выровненными счетными эффективностями регистрации, разделенных защитным экраном в виде параллелепипеда, обеспечивающим эффективное поглощение излучения в выбранном энергетическом диапазоне, форма и размеры которого, а также расстояние между детекторами выбраны исходя из заданной диаграммы направленности регистрации устройства. Устройство снабжено измерителем разности скоростей счета сцинтилляционных детекторов. Информация о местоположении источника излучения выделяется по разности скоростей счета двух детекторов, которая чувствительна к взаимной ориентации оси устройства и направления на источник.
В рабочем положении устройства детекторы ориентированы боковой поверхностью на источник излучения, открытые торцы сцинтилляторов - вниз, торцы сцинтилляторов, оптически связанные с фотоэлектронными умножителями - вверх. В этом положении устройство обладает диаграммой направленности регистрации, позволяющей определять направление (азимут) на источник. Полусфера пространства, где находится источник излучения (передняя или задняя относительно ориентации устройства), определяется по разности показаний детекторов. Если источник находится со стороны детектора, расположенного перед защитным экраном, то показания такого детектора будут превышать показания детектора, расположенного за защитным экраном. Таким образом, устройство позволяет обнаружить присутствие источника излучения в его поле зрения без сканирования исследуемого участка местности. При вращении устройства по азимуту разность скоростей счета будет изменяться и достигнет максимума при ориентации оси устройства в направлении на источник
Недостатком устройства является относительно низкая эффективность регистрации излучения в диаграммах направленности по азимутальному и полярному углу. Это связано с формой и размером защитного экрана, а также расстоянием между детекторами и защитным экраном, которые различны для различных его диаграмм направленности, что значительно снижает его зону обзора, а также необходимость вращения устройства для точного определения направления на источник излучения. Другим недостатком является изготовление защитного экрана из материала с большим атомным номером, что затрудняет возможность использования данного устройства в качестве портативного прибора при радиационном мониторинге вследствие большого веса защитного экрана.
3
Известен портативный «Зонд для определения направления гамма-излучения» [2], включающий корпус, содержащий как минимум три детектора, разделенных защитой от излучения, выход с детекторов связан с сигнальным процессором для определения угла на источник излучения, а выход с сигнального процессора связан с устройством отображения, где индицируется значение угла. В качестве детекторов выступают счетчики Гейгера-Мюллера, защитный экран изготовлен из свинца, а само устройство дополнительно снабжено спектрометрическим каналом, где используется сцинтиллятор NaI(Tl) или LaBr(Се). Несмотря на зону зрения от 0 до 360 градусов в азимутальной плоскости, основными недостатками зонда являются низкая чувствительность вследствие применения счетчиков Гейгера-Мюллера, определение направление на источник фотонного излучения только по одной (азимутальной) координате, а также изготовление защитного экрана из свинца, что отрицательно сказывается на весе зонда.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство определения направления на источник гамма-излучения по двум координатам в телесном угле 2π стерадиан» [3]. Устройство содержит четыре идентичных сцинтилляционных счетчика, расположенных торцевыми поверхностями к источнику излучения. Счетчики разделены защитным экраном в виде сборной конструкции из перекрещенных прямоугольных пластин и фронтальной квадратной пластины, причем фронтальная пластина закрывает половину торцевых площадей сцинтилляционных кристаллов, обращенных к источнику. Защитный экран изготовлен из материала с небольшим атомным номером, обеспечивающим достаточно эффективное ослабление излучения. Расстояния между пластинами и счетчиками были выбраны исходя из диаграммы направленности устройства, обеспечивающей определение двух угловых координат источника в телесном угле 2π стерадиан.
В рабочем положении устройства блок детектирования ориентирован торцевой поверхностью счетчиков на источник излучения. В таком положении устройство обладает диаграммами направленности, позволяющими определить направление на источник по азимутальному и полярному углу. Информация о местоположении источника излучения определяется по разности скоростей счета с угломерной пары, образованной двумя противоположными счетчиками. Указанная разность скоростей счета с каждой пары сцинтилляционных счетчиков зависит от взаимной ориентации оси симметрии устройства и направления на источник.
Одновременно с регистрацией гамма-излучения и вычисления координат источника, в модуль согласования с видеокамеры поступает видеоизображение исследуемого участка местности, на которое накладывается вычисленное положение источника гамма-излучения в координатах устройства в виде крестообразной отметки. Совмещенное изображение от модуля согласования передается для отображения на дисплей, расположенный на корпусе устройства. Управление работой устройства осуществляется при помощи сенсорного экрана дисплея, подключенного к модулю согласования. Питание устройства осуществляется от блока аккумуляторов через модуль согласования для питания контроллера, видеокамеры и дисплея, а также через преобразователь высоковольтный для питания сцинтилляционных детекторов.
Так как питание осуществляется от внутреннего блока аккумуляторов, уменьшение количества счетчиков позволит увеличить время работы устройства и положительно скажется на его весогабаритных и эргономических характеристиках.
Целью изобретения является уменьшение энергопотребления устройства, а также его веса и габаритов, при сохранении зоны обзора в 2π стерадиан.
Предложено устройство, схема которого представлена на фиг. 1, обладающее полусферической зоной обзора для поиска источников фотонного излучения (1). Устройство содержит видеокамеру (2), корпус (3), защитный экран (4), преобразователь высоковольтный (5), детекторную сборку (6), контроллер (7), дисплей (8), модуль согласования (9) и блок аккумуляторный (10). Детекторная сборка включает в себя три однотипных счетчика сцинтилляционных, состоящих из сцинтилляционных кристаллов и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).
Вход детекторной сборки подключен к выходу преобразователя высоковольтного, обеспечивающего электропитание ФЭУ. Три выхода детекторной сборки подключены к аналоговым входам контроллера. Выход контроллера подключен к входу преобразователя высоковольтного для установки его выходных напряжений. Другой выход контроллера подключен к системной информационной CAN магистрали, по которой передает на вход модуля согласования накопленную спектрометрическую информацию. Модуль согласования подключен к входу дисплея и выходу видеокамеры. Питание устройства осуществляется от блока аккумуляторного, подключенного к входу модуля согласования. Все узлы и модули устройства размещены в одном корпусе.
Расположение сцинтилляционных счетчиков относительно защитного экрана представлено на фиг. 2 (вид со стороны источника излучения), фиг. 3 (вид сзади) и фиг. 4 (вид сбоку). Три идентичных сцинтилляционных кристалла (11), (12) и (13) размещены в углублениях Y-образной части защитного экрана, образованной тремя прямоугольными пластинами с полуцилиндрическими окончаниями (14), причем пластины расположены под углом 120 градусов друг к другу. Защитный экран также содержит пластину в виде шарового сегмента (15), закрывающую половину площади фронтальных торцевых поверхностей сцинтилляционных кристаллов. Видеокамера (2) расположена на вершине пластины (15). ФЭУ крепятся к нижней, нерабочей торцевой поверхности сцинтилляционных кристаллов и на схеме не показаны.
Отличием от прототипа является выполнение детекторной сборки из трех идентичных сцинтилляционных счетчиков с предварительно выровненными счетными эффективностями регистрации, защитного экрана в виде трех прямоугольных пластин с полуцилиндрическими окончаниями и фронтальной пластины в виде шарового сегмента, закрывающей половину площади сцинтилляционных кристаллов.
Такая конструкция позволяет получить уменьшение веса и габаритов устройства за счет уменьшения количества сцинтилляционных счетчиков и прямоугольных пластин защитного экрана, с четырех до трех штук. Полусферическая зона обзора устройства обеспечивается за счет оптимально выбранных расстояний фронтальной пластины от торцевых поверхностей сцинтилляционных счетчиков и расстояний от боковой поверхности счетчиков до прямоугольных пластин, а также за счет использования в качестве материала защитных экранов материала с небольшим атомным числом и плотностью (например, железо или титан).
Указанные преимущества предлагаемого устройства выявлены с помощью расчетов по программе имитационного трехмерного моделирования систем детектирования и регистрации ионизирующего излучения МСС 3D [4].
Для теоретического исследования была создана математическая модель устройства, представляющая детекторную сборку из трех сцинтилляционных счетчиков, помещенную в защитный экран, состоящий из трех прямоугольных пластин, соединенных между собой под углом 120°, и фронтальной пластины в виде шарового сегмента, перекрывающим половину торцевых площадей сцинтилляционных кристаллов. В качестве материала сцинтиллятора был выбран NaI(Tl), сцинтилляционные кристаллы стыковались с фотоэлектронными умножителями Hamamatsu R711, выводы которых подключались к блоку электроники, обеспечивающему управление работой трех ФЭУ.
Для указанной конструкции были произведены расчеты функции отклика сцинтилляционных счетчиков на источник фотонного излучения, расположенный под разными углами относительно устройства.
Целью расчетов было получение оптимальных для получения зоны зрения устройства, равной 2π стерадиан, размеров сцинтилляционных кристаллов, элементов защитного экрана и их взаимного расположения, а также материала защитного экрана. Диаметр сцинтилляционного кристалла был выбран равным 40 мм, варьировалась его длина (от 25 мм до 40 мм). Исследовалось также расстояние от фронтальной пластины до сцинтиллятора (от 5 мм до 10 мм), размеры, толщина и материал защитных экранов (вольфрам, железо, титан). В качестве источника использовался радионуклид цезий-137 с энергией фотонов равной 661 кэВ.
В результате расчетов определены оптимальные размеры составных элементов конструкции устройства для получения зоны зрения равной 2π стерадиан. Оптимальные характеристики математической модели составили: сцинтилляционный кристалл NaI(Tl) размерами ∅40×40 мм, фронтальная пластина в виде шарового сегмента радиусом 35 мм с максимальной толщиной 23 мм, расстояние от торцов сцинтилляционных кристаллов до фронтальной пластины 5 мм, боковые поверхности сцинтилляционных кристаллов прилегают к прямоугольным пластинам, толщина которых составляет 15 мм. Радиус цилиндрических окончаний пластин составил 16 мм. Расчеты показали, что необходимо использовать материал для защитных экранов с небольшим атомным номером и плотностью (железо или титан).
Рабочее положение устройства - счетчик (11) находится вверху, а счетчики (12) и (13) внизу относительно видеокамеры (12). Видеокамера направлена в сторону источника (см. фиг. 2).
13
12
Функция отклика устройства на излучения фотонного источника для азимутального угла ϕ (в горизонтальной плоскости) вычисляется по значению разностей скоростей счета от счетчика (13) n и счетчика (12) nотнесенной к сумме их скоростей счета:
12
13
13
12
При отрицательных значениях азимутального угла ϕ (источник находится слева относительно плоскости симметрии устройства, проходящей через центр счетчика (11) и центр видеокамеры) n>n, при положительных значениях азимутального угла n>n.
11
12
13
12
13
Функция отклика устройства для полярного угла Θ (в вертикальной плоскости) вычисляется по значению разности скорости счета со счетчика (11) n и средней скорости счета со счетчиков (12) n и (13) n, отнесенной к сумме скоростей счета счетчиков (12) n и (13) n.
12
13
11
11
12
13
При отрицательных значениях полярного угла (источник находится в нижней полуплоскости относительно видеокамеры) ((n+n)/2)>n, при положительных значениях полярного угла n>((n+n)/2).
В результате компьютерного моделирования было установлено, что функции отклика устройства на излучение фотонного источника для азимутального и полярного углов представляют собой гладкие монотонные функции, где каждому значению угла соответствует одно значение функции отклика (см. фиг. 5 и фиг. 6). Таким образом, данный установленный факт позволяет однозначно определять угловую координату источника по вычисленному значению функции отклика. Из рассмотрения зависимостей видно, что измерение азимутального и полярного углов предлагаемым устройством детектирования возможно в диапазоне изменения этих углов от минус 90° до +90°, то есть зона зрения устройства составляет 2π стерадиан (полусфера).
Таким образом, совокупность отличительных признаков является необходимым и достаточным условием для выполнения поставленной задачи, а именно уменьшения количества счетчиков при сохранении измерительных характеристик.
Устройство работает следующим образом.
Фотоны от источника излучения могут взаимодействовать как с материалом защитного экрана, при этом теряя свою энергию или полностью поглощаясь в нем, так и напрямую попадать в сцинтилляционный кристалл. Попадание фотонов в кристалл вызывает в нем световые вспышки. Световые вспышки фотоэлектронным умножителем преобразовываются в импульсы тока, которые поступают на вход контроллера, где производится их подсчет. Питание фотоэлектронных умножителей обеспечивается преобразователем высоковольтным, который преобразовывает входное напряжение от аккумуляторов в напряжение, необходимое для питания ФЭУ. Контроллер имеет возможность варьировать величину напряжения электропитания фотоэлектронных умножителей для стабилизации шкалы энергетического преобразования. Информация о количестве зарегистрированных фотонов в секунду каждым сцинтилляционным счетчиком из детекторной сборки передается в модуль согласования. В модуле согласования по формулам (1.1) и (1.2) вычисляются функции отклика и по зависимостям, приведенным на фиг. 5 и фиг. 6, определяются угловые координаты источника фотонного излучения в азимутальной и полярной плоскости.
Одновременно с регистрацией фотонного излучения и вычисления координат источника, в модуль согласования с видеокамеры поступает видеоизображение исследуемого участка местности, на которое накладывается вычисленное положение источника излучения в координатах устройства в виде крестообразной метки. Совмещенное изображение от модуля согласования передается для отображения на дисплей, расположенный на корпусе устройства. Управление работой устройства осуществляется при помощи сенсорного экрана дисплея, подключенного к модулю согласования. Питание устройства осуществляется от блока аккумуляторов через модуль согласования для питания контроллера, видеокамеры и дисплея, а также через преобразователь высоковольтный для питания сцинтилляционных счетчиков.
Устройство может дополнительно содержать модуль Wi-Fi для беспроводной передачи данных на удаленный пульт управления. Для облегчения массы устройства, корпус может быть изготовлен из полиуретана.
Список использованных источников
1. Устройство для определения местоположения источника гамма-излучения: пат. 2068184 Рос. Федерация. №4929838/25; заявл. 19.04.1991; опубл. 20.10.1996.
2. Directional gamma ray probe: пат. 7470909 B2 США. №11/509078, заявл. 24.08.2006; опубл. 28.02.2008.
3. Устройство для определения направления на источник гамма-излучения по двум координатам в телесном угле 2π стерадиан: пат. 2579799 Рос. Федерация. №2014154417/28, заявл. 30.12.2014; опубл. 10.04.2016, бюл. №10.
4. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2008615088 от 22.10.2008, свидетельство о метрологической аттестации программы №С-2101-001 от 27.11.07 в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»)