ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЛОКА МЕХАНИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ

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-детектором) посредством ввода в зону меченых нейтронов сцинтилляционного кислородосодержащего гамма-детектора, патент РФ на полезную модель №137122, МПК G01N 23/222, 27.01.2014.
Данный кислородосодержащий гамма-детектор, выполняющий функцию калибровочного материала, 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-детектора, выдвинутого в зону 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 известного детектора является:
- уменьшение количества регистрируемого сигнала от объекта досмотра, обусловленное необходимостью отодвигать гамма-детекторы от объекта досмотра на расстояние S=3vt (v - скорость меченых нейтронов, t - временное разрешение при измерении альфа-гамма совпадений) во избежание смешивания откликов от объекта досмотра и гамма-детектора, выдвинутого в зону меченых нейтронов;
- невозможность использования гамма-детекторов, у которых отсутствует в составе кислород.
Полезная модель устраняет указанные недостатки. Техническим результатом является:
- увеличение количества регистрируемого сигнала от объекта досмотра. Это достигается путем уменьшения необходимого расстояния между гамма-детектором и объектом досмотра, так как минимальное расстояние S отсчитывается от чувствительного элемента блока механической калибровки, а не от гамма-детектора;
- возможность использования любых гамма-детекторов в независимости от их элементного состава.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент блока механической калибровки состоит из двух соединенных друг с другом торцами прямоугольной формы параллелепипедов графита и кремния.
Перечень обозначений позиций, представленных на Фиг. 1-4:
1 - прямоугольной формы параллелепипед графита;
2 - прямоугольной формы параллелепипед кремния;
3 - пластина;
4 - чувствительный элемент блока механической калибровки;
5 - гамма-детектор;
6 - механическая защита гамма-детектора 5 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 7;
7 - нейтронный генератор со встроенным альфа-детектором 8;
8 - многопиксельный альфа-детектор;
9 - объект досмотра;
10 - граница зоны меченых нейтронов;
11 - калибровочная область альфа-детектора 8, соответствующая графиту;
12 - калибровочная область альфа-детектора 8, соответствующая кремнию.
На фиг. 1 изображен чувствительный элемент блока механической калибровки, состоящий из двух скрепленных параллелепипедов - параллелепипед 1 графита и параллелепипед 2 кремния при помощи пластины 3.
На фиг. 2 изображен вид сверху на размещение чувствительного элемента 4 блока механической калибровки относительно объекта 9 досмотра, гамма-детектора 5 и границ 10 зоны меченых нейтронов, определяемой многопиксельным альфа-детектором 8, встроенным в нейтронный генератор 7.
На фиг. 3 изображен вид спереди со стороны нейтронного генератора 7 чувствительного элемента 4 блока механической калибровки, и расположение его относительно гамма-детектора 5 и границы 10 зоны меченых нейтронов.
На фиг. 4 представлен вид сверху на многопиксельный альфа-детектор 8 с указанием двух калибровочных областей 11 и 12 альфа-детектора 8, состоящих из калибровочных альфа-пикселей, и соответствующих параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния.
На фиг. 5 и 6 представлены примеры гамма-спектров от параллелепипед 2 кремния (Si) и параллелепипед 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 9 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).
Чувствительный элемент 4 блока механической калибровки (фиг. 1) содержит параллелепипед 1 графита и параллелепипед 2 кремния, которые соединены между собой, например, при помощи пластины 3.
Чувствительный элемент 4 блока механической калибровки, состоит из двух, соединенных друг с другом торцами при помощи, например, клея или пластины 3 с загнутыми краями, при этом края не попадают за границу 10 зоны меченых нейтронов, параллелепипедов - параллелепипед 1 графита и параллелепипед 2 кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен, например, приклеен к пластине 3, дающие в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов на их ядрах интенсивные, неперекрывающиеся другими гамма-пиками, гамма-пики углерода 4439 кэВ и кремния 1779 кэВ соответственно.
Чувствительный элемент 4 блока механической калибровки входит в состав блока механической калибровки и располагается при помощи него максимально близко к гамма-детектору 5, выступая за границу 10 зоны меченых нейтронов (фиг. 2, 3), между гамма-детектором 5 и его механической защитой 6 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 7 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 8, калибровочные области 11 и 12 которого (фиг. 4), соответствуют параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния, соответственно. При этом объект 9 досмотра размещается с другой стороны гамма-детектора 5 внутри границы 10 зоны меченых нейтронов (фиг. 2).
Блок механической калибровки (на фиг. не имеет позиции) состоит из чувствительного элемента 4 и средств его позиционирования и крепления внутри устройства нейтронного анализа материалов.
Устройство работает следующим образом.
Чувствительный элемент 4 блока механической калибровки размещается и устанавливается внутри устройства нейтронного анализа материалов при помощи блока механической калибровки, в состав которого он входит.
Чувствительный элемент 4 блока механической калибровки устанавливается максимально близко к гамма-детектору 5 (фиг. 2), между гамма-детектором 5 и механической защитой 6 гамма-детектора 5 от прямого нейтронного излучения нейтронного генератора 7 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 8, калибровочные области 11 и 12 которого (фиг. 4) соответствуют параллелепипедам 1 и 2 графита и кремния соответственно. Чувствительный элемент 4 блока механической калибровки, состоит из двух, склеенных между собой или прижатых к друг другу торцами, например, при помощи пластины 3 с загнутыми краями, которые не попадают за границу 10 зоны меченых нейтронов, параллелепипедов - параллелепипед 1 графита и параллелепипед 2 кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен, например, приклеен к пластине 3, дающие в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов на их ядрах интенсивные, неперекрывающиеся другими гамма-пиками, гамма-пики углерода 4439 кэВ и кремния 1779 кэВ соответственно. При этом объект 9 досмотра размещается с другой стороны гамма-детектора 5 внутри границы 10 зоны меченых нейтронов (фиг. 2).
Размещение чувствительного элемента 4 блока механической калибровки, прикрепленного к пластине 3, внутри границы 10 зоны меченых нейтронов относительно гамма-детектора 5 выбирается исходя из плотности параллелепипедов - параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, времени измерения объекта 9 досмотра, гамма-спектра и уровня фоновых событий, регистрируемых гамма-детектором 5 в результате попадания нейтронов генератора 7 в окружающие его объекты помимо объекта 9 досмотра.
Размер и форма параллелепипедов 1 и 2 определяются размерами границ 10 зоны меченых нейтронов в области размещения чувствительного элемента 4 блока механической калибровки, гамма-детектора 5 и пространственным разрешением устройства нейтронного анализа материалов, определяемым нейтронным генератором 7 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 8, а также временем измерения, интенсивностью излучения нейтронного генератора 7, плотностью материалов параллелепипедов 1 и 2.
7
Например, при размерах границ 10 зоны меченых нейтронов 10×10 см и пространственного разрешения 1,5 см устройства нейтронного анализа материалов в области размещения чувствительного элемента 4 блока механической калибровки, чувствительной области гамма-детектора 7,6×07,6 см, интенсивности нейтронного генератора 7 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
с
Si
с
Меченые нейтроны нейтронного генератора 7, соответствующие калибровочным областям 11 и 12 альфа-детектора 8, попадают соответственно в доли параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, находящиеся внутри границы 10 зоны меченых нейтронов, вызывая неупругое рассеяние нейтронов с образованием интенсивных гамма-линий углерода 4439 кэВ (о~187 мб [10]) и кремния 1779 кэВ (о~403 мб [10]), которые регистрируется гамма-детектором 5. 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-пиков полного поглощения 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 А, характеризующие положения центров пиков, выраженных в каналах. Полученные параметры A и А используется для определения параметров к и Ъ калибровочной функции (1) по классическим формулам:
Найденная калибровочная функция (1) позволяет выполнить автоматическую энергетическую калибровку гамма-отклика от объекта 9 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 чувствительного элемента 4 блока механической калибровки.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно:
- увеличение количества регистрируемого сигнала от объекта досмотра путем уменьшения необходимого расстояния между гамма-детекторами и объектом досмотра;
- возможность использования любых гамма-детекторов в независимости от их элементного состава.
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.orR/publications/indc/indc-ccp-0413