СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СКАНЕР ПРОФИЛЕЙ ПУЧКОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Полезная модель относится к ускорительной технике и может быть использована для измерений профилей и размеров пучков ионизирующих излучений под различными углами в поперечной плоскости.
Известно устройство для определения профилей пучков ионизирующих излучений [RU 182076 U1, МПК G01T1/16, опубл. 07.08.2018], принятое за прототип, содержащее держатель, сканирующие элементы, зажимы, средство для перемещения и детектор. Сканирующие элементы выполнены в виде множества сканирующих проволочек из разных материалов, закрепленных на держателе с помощью зажимов. Средством для перемещения является линейный транслятор, перемещающий устройство в поперечном к оси пучка направлении. Детектор, измеряющий спектры характеристического рентгеновского излучения, распространяющегося изотропно, является энергодисперсионным.
Недостатком этого устройства является использование в качестве сканирующих элементов рентгенофлюоресцентных проволочек, выполненных из различных материалов и генерирующих характеристическое излучение, интенсивность которого пропорциональна интенсивности измеряемого потока заряженных или нейтральных частиц. Поскольку сечение фотопоглощения нейтральных частиц, например, рентгеновского или гамма излучения, значительно ниже, чем для заряженных частиц, чувствительность в измерениях потоков нейтральных частиц также значительно ниже чувствительности измерения потоков заряженных частиц. Кроме того, это устройство позволяет измерять профили пучков ионизирующих излучений только под одним углом – вдоль направления перемещения линейного транслятора, а используемый для измерения интенсивности характеристического излучения энергодисперсионный детектор значительно уступает по быстродействию обычному счетчику излучения, что вызывает необходимость использования отдельной спектрометрической системы для разделения сигналов от квантов излучения различных энергий.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства для измерений профилей и размеров пучков ионизирующих излучений.
Предложенный сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений, так же как в прототипе, содержит сканирующий элемент, который с помощью зажима закреплен на держателе, установленном на линейном трансляторе.
В отличие от прототипа сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений содержит вертикально установленную оптическую плиту, к которой, параллельно ей, прикреплена вращательная поворотная платформа, на которой закреплен линейный транслятор. Сканирующий элемент в виде сцинтилляционной пластинки с помощью зажима закреплен на держателе. Держатель установлен на линейном трансляторе с возможностью его перемещения вдоль продольной оси транслятора так, что сцинтилляционная пластинка расположена параллельно поверхности линейного транслятора и перпендикулярно его продольной оси.
Сцинтилляционная пластинка может быть выполнена из сцинтиллирующего органического материала на основе поливинилтолуола.
Использование в качестве сканирующего элемента тонкой сцинтилляционной пластинки позволяет регистрировать поток ионизирующих излучений как для заряженных (электроны, протоны), так и нейтральных (рентгеновское, гамма излучение) частиц, причем интенсивность светового сигнала, генерируемого в пластинке, пропорциональна интенсивности потока ионизирующего  излучения, проходящего через пластинку. Световой сигнал, регистрируемый  сканером, в дальнейшем преобразуют и анализируют при помощи стандартных устройств (фотоэлектронного умножителя и счетчика электрических импульсов)
Линейное и вращательное перемещения сцинтилляционной пластинки с помощью линейного транслятора и вращательной поворотной платформы позволяют измерять профили пучка в поперечной плоскости относительно центральной оси пучка ионизирующего излучения под разными углами, что особенно важно при измерении несимметричных пучков ионизирующего излучения, обладающих сложной поперечной формой.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять профили и размеры пучков ионизирующих излучений под различными углами в поперечной плоскости относительно центральной оси пучка ионизирующего излучения с повышенным быстродействием.
На фиг. 1 представлен сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений.
На фиг. 2 приведены профили пучка рентгеновского излучения от рентгеновского аппарата РАП 160-5, измеренные заявляемым устройством для двух ориентаций, где а) – при горизонтальной ориентации продольной оси линейного транслятора, когда угол α=0°; б) – при вертикальной продольной оси линейного транслятора при α=90°, а также приведены соответствующие профили, измеренные дозиметрической пленкой Gafchromic EBT3.
Сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений (фиг. 1) содержит вертикально расположенную оптическую плиту 1, на которой закреплена вращательная поворотная платформа 2, на которой закреплен линейный транслятор 3, в котором при помощи держателя с зажимом (не показан на фиг. 1) закреплена сцинтилляционная пластинка 4.  Держатель установлен на линейном трансляторе 3 с возможностью перемещения вдоль его продольной оси так, что сцинтилляционная пластинка 4 расположена параллельно поверхности линейного транслятора 3 и перпендикулярно его продольной оси. Сцинтилляционная пластинка 4 в одном из вариантов выполнена из сцинтиллирующего органического материала на основе поливинилтолуола шириной 2 мм, толщиной 6 мм, длиной 150 мм. Для дальнейшей передачи светового сигнала от сцинтиллятора в одном из вариантов к концу сцинтилляционной пластинки 4 оптическим гелем приклеивают оптоволокно 5, световой сигнал по которому может передаваться на стандартный кремниевый фотоумножитель 6 (ФЭУ), подключенный к счетчику электрических импульсов  7 (С).
В качестве оптической плиты 1 может быть использована алюминиевая монтажная плита 1B-A фирмы Standa [http://www.standa.lt/products/catalog/optical_tables?item=642]. Вращательная поворотная платформа 2 - моторизованная поворотная платформа 8MR190-2 фирмы Standa [http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=244]. В качестве линейного транслятора 3 использован моторизированный линейный транслятор 8MT175 фирмы Standa [http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=60]. Сцинтилляционная пластинка 4, как вариант, полоска пластмассового сцинтиллятора BC-408 фирмы Saint-Gobain Crystals [https://www.crystals.saint-gobain.com/products/bc-408-bc-412-bc-416]. Оптоволокно 5 представляет собой оптоволокно VHM7000 Series Fibers фирмы AFL [https://www.aflglobal.com/Products/Specialty-Optical-Fiber.aspx]. В качестве кремниевого фотоэлектронного умножителя 6 (ФЭУ) обычно применяют кремниевый фотоэлектронный умножитель серии J-Series фирмы SensL [http://sensl.com/downloads/ds/DS-MicroJseries.pdf]. В качестве счетчика электрических импульсов 7 (С) можно использовать счетный модуль SPC-150N TCSPC фирмы Becker & Hickl GmbH [https://www.becker-hickl.com/products/category/tcspc-modules/].
Устройство работает следующим образом. В сцинтилляционном сканере профилей пучков ионизирующих излучений, установленном таким образом, чтобы оптическая плита 1 располагалась вертикально, с помощью вращательной поворотной платформы 2 поворачивают линейный транслятор 3 с держателем со сцинтилляционной пластинкой 4 под заданным углом α в плоскости, поперечной центральной оси пучка ионизирующего излучения, под которым необходимо измерить профиль и размер пучка ионизирующего излучения. По сигналу с ЭВМ линейный транслятор 3 начинает линейное перемещение держателя с сцинтилляционной пластинкой 4 вдоль оси линейного транслятора 3. Сцинтилляционная пластинка 4, двигаясь в заданном направлении, пересекает пучок ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение, попадая в материал сцинтилляционной пластинки 4, генерирует в нем световые кванты, причем интенсивность световых квантов пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения, пересекающего сцинтилляционную пластинку 4 в этот момент времени. Часть световых квантов, сгенерированных в сцинтилляционной пластинке 4, захватывается оптоволокном 5 и передается для дальнейшей обработки стандартными устройствами, причем интенсивность светового сигнала, передаваемому по оптоволокну, пропорциональна интенсивности потока ионизирующего излучения, проходящего через пластинку. Например, световые кванты передаются к кремниевому фотоэлектронному умножителю 6 (ФЭУ), который преобразует их в импульсы напряжения. Импульсы напряжения обычно подсчитывают счетчиком электрических импульсов 7 (С) в заданном временном интервале, например, с периодичностью в 1 секунду. Информацию о количестве импульсов, сгенерированных за заданный временной интервал, которое пропорционально количеству квантов ионизирующего излучения, прошедших через сцинтилляционную пластинку 4 в этот временной интервал, передают в ЭВМ, обеспечивающую запись данных. При этом разрешение измерения профиля пучка ионизирующего излучения определяется временным интервалом измерения и скоростью линейного перемещения держателя со сцинтилляционной пластинкой 4 по линейному транслятору 3, а размер пучка определяют путем обработки зарегистрированного пика генерации светового излучения, в котором интенсивность зарегистрированных импульсов отлична от фоновой. После измерения профиля линейный транслятор 3 возвращают в исходное положение. При необходимости вращательная поворотная платформа 2 может повернуть линейный транслятор 3 с закрепленной сцинтилляционной пластинкой 4 под новым значением угла α, после чего может быть измерен профиль пучка ионизирующего излучения под новым значением угла α. При необходимости, измерения проводят многократно под разными углами.
Как видно из фиг. 2, профили, измеренные предложенным устройством, имели незначительное отличие от эталонных, измеренных дозиметрической пленкой. Горизонтальный и вертикальный размеры пучка рентгеновского излучения определяли как полную ширину соответствующего профиля на половине высоты, и они составили 20 мм как по горизонтали, так и по вертикали.