БЕТА-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОПТОВОЛОКОННОЙ ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к технике регистрации уровня ионизирующего излучения от низкоэнергетических источников бета-излучения и может быть использована при создании высокочувствительных детекторов для оптической дозиметрии, в частности в волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений.
В настоящее время известны конструкции волоконно-оптических датчиков радиационного излучения, которые классифицируют следующим образом в зависимости от применяемого чувствительного элемента: на основе неорганических сцинтилляторов, на базе сцинтилляционных волокон, с использованием решеток Брэгга, на эффекте Черенкова (O'Keeffe S, McCarthy D, Woulfe P, Grattan MW, Hounsell AR, Sporea D, Mihai L, Vata I, Leen G, Lewis E. A review of recent advances in optical fibre sensors for in vivo dosimetry during radiotherapy. Br J Radiol. 2015 Jun; 88(1050):20140702. doi: 10.1259/bjr.20140702. Epub 2015 Mar 11. PMID: 25761212; PMCID: PMC4628446). Наиболее перспективным направлением в данной области является разработка волоконно-оптических датчиков на базе различных сцинтилляторов, которые обладают рядом преимуществ перед аналогами: высокой радиационной чувствительностью, относительной температурной стабильностью и низкой чувствительностью к механическим деформациям. Получение измерительной информации с таких датчиков не требует применения развитых методов анализа спектрометрических характеристик и дорогостоящего рефлектометрического оборудования.
Известны волоконно-оптические датчики ионизирующего излучения с использованием неорганических и пластиковых сцинтилляторов в качестве чувствительных элементов (US5811814, US10605928B2, US9907980B2, US9678217B2 US9625583B2, US8119979B2, US8044357), оптические сигналы с которых, производимые в процессе их взаимодействия с ионизирующим излучением, передаются посредством транспортных оптических волокон к специальным фотоприемным устройствам. Значение оптической мощности на выходе транспортных волокон пропорционально уровню воздействия ионизирующего излучения на чувствительный элемент датчика.
Например, известен оптоволоконный радиационно-чувствительный сенсор для измерения выхода излучения с поверхности источника на базе радиоактивного трития, содержащий неорганический сцинтиллятор в виде цилиндра толщиной 0,1 мм и диаметром 10 мм, прикрепленный к нему пучок оптических волокон и устройство для измерения мощности сцинтилляционного оптического сигнала на выходе волокон в реальном времени (Jang, Kyoung & Cho, Dae-Ho & Yoo, Wook Jae & Seo, J. & Heo, J. & Park, Jeong Yoon & Lee, Bit. (2011). Fiber-optic radiation sensor for detection of tritium. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A-accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment -NUCL INSTRUM METH PHYS RES A. 652. 928-931. 10.1016/j.nima.2010.09.060.). Чувствительная область описанного сенсора имеет значительную площадь, что позволяет проводить измерения величины полного выхода излучения поверхности источника, но не позволяет оценить однородность выхода частиц с поверхности источника, а также границы источника, что является его существенным недостатком. К общим недостаткам такого рода датчиков относят необходимость применения специальных схем и устройств ввода полученного с чувствительного элемента оптического сигнала в транспортное волокно, наличие оптических потерь на стыке чувствительных элементов и транспортных оптических волокон.
Радиационные датчики на основе сцинтилляционных волокон обладают большей технологичностью в связи с тем, что не требуются дополнительные устройства ввода сцинтилляционного излучения в оптическое волокно - сцинтилляция осуществляется непосредственно в его легированной специальным образом сердцевине. Так, известна оптоволоконная дозиметрическая система (RU138047U1), которая включает в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, соединенного посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения. При этом полимерное сцинтилляционное волокно расположено в несколько витков по окружности отверстия в корпусе сенсорного элемента, сквозь которое проходит исследуемый протяженный источник ионизирующего излучения, и зафиксировано выступами верхней и нижней крышки корпуса сенсорного элемента. Выходной торец полимерного сцинтилляционного волокна соединяется с транспортным оптическим волокном, а на свободный торец сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие. Пространственная селекция регистрируемого ионизирующего излучения обеспечивается металлической блендой, которая является частью корпуса сенсора, располагается выше и ниже витков сцинтилляционного волокна и перекрывает поток ионизирующего излучения от областей исследуемого протяженного источника ионизирующего излучения, расположенных за пределами интересующей области. Устройство предназначено для измерения радиационного выхода с поверхности хроматографической колонны, представляющей собой объемный радиационный источник бета-излучения цилиндрической формы и не позволяет определять радиационный выход с поверхностей плоских радиационных источников с высокой разрешающей способностью.
192
Известны радиационно-чувствительные детекторы с использованием сцинтилляционного волокна в качестве чувствительного элемента (US4788436, US9606242B2, US8183534B2, US5793046, US8885986B2, Rego, Florbela & Peralta, Luis & Abreu, Maria. (2011). A Scintillating Fiber Dosimeter for Radiology and Brachytherapy with photodiode readout, Kertzscher G, Beddar S. Inorganic scintillation detectors for Ir brachytherapy. Phys Med Biol. 2019 Nov 21;64(22):225018. doi: 10.1088/1361-6560/ab421f. PMID: 31491777.). Наиболее близкой к конструкции предлагаемой полезной модели является конструкция известного сцинтилляционного датчика, описанного в US4788436, который выбран в качестве прототипа. Оптическое волокно, чувствительное к ионизирующему излучению, включает сердцевину, выполненную из сцинтилляционного материала, которая продуцирует оптическое излучение, интенсивность которого пропорциональна величине оказываемого на него радиационного воздействия. Чувствительное волокно помещается в светонепроницаемую оболочку и соединяется с транспортным оптическим волокном, по которому полученный сцинтилляционный оптический сигнал передается к фотоприемнику. Конструкция такого датчика не обеспечивает селекцию падающего на чувствительный элемент радиационного излучения по телесному углу и, таким образом, не позволяет определить величину ни полного выхода излучения с поверхности радиационного источника, ни выхода излучения с отдельно взятого его участка. Кроме того, чувствительный элемент не защищен он внешнего радиационного воздействия помимо радиационного источника, что вносит дополнительную погрешность в результат измерений.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель предлагаемой полезной модели: реализовать волоконно-оптический сенсорный элемент для измерения профилей выхода бета-излучения с поверхности источника ионизирующего излучения с повышенной точностью.
Технический результат: повышение пространственной разрешающей способности измерения выхода бета-излучения с поверхности бета-источников ионизирующего излучения, возможность измерения поверхностных профилей выхода бета-излучения.
Достижение технического результата осуществляется за счет реализации сенсорного элемента оптоволоконной дозиметрической системы, представляющего собой бета-чувствительный элемент, содержащий светонепроницаемый корпус, сцинтилляционное оптическое волокно, и оптический разъем для соединения с измерительной системой. При этом светонепроницаемый корпус сенсорного элемента выполнен в виде металлического полого цилиндра с зеркальной внутренней поверхностью, обеспечивающего физическую защиту от бокового проникающего бета-излучения, в который помещено сцинтилляционное оптическое волокно, один торец волокна соединен с оптическим разъемом, выполненным единым совместно с корпусом. Второй торец сцинтилляционного оптического волокна может быть отполирован заподлицо со светонепроницаемым корпусом и выполнять функцию окна для проникновения бета-излучения в сцинтилляционное оптическое волокно. Также сцинтилляционное оптическое волокно может быть выполнено короче светонепроницаемого корпуса сенсорного элемента, таким образом, что часть корпуса, не заполненная волокном, выступает в качестве бленды, ограничивающей телесный угол, в пределах которого регистрируется бета-излучение от источника. Кроме того, часть корпуса, не заполненная сцинтилляционным оптическим волокном, может быть выполнена с возможностью перемещения вдоль сцинтилляционного оптического волокна для плавной регулировки величины телесного угла, в пределах которого производится регистрация ионизирующего излучения от источника.
Описание полезной модели
При производстве бета-источников ионизирующего излучения актуальна задача радиационного контроля их параметров, в частности выхода бета-электронов с единицы поверхности и равномерности выхода бета-электронов со всей поверхности. При этом требуется высокая скорость, эффективность и точность измерений. Практически все, существующие на сегодняшний день, сенсорные элементы не позволяют измерять распределение выхода бета-излучения по площади поверхности объемного радиационного источника. Предлагаемая полезная модель предназначена для решения задачи повышения точности измерения профилей выхода бета-излучения с поверхности источника ионизирующего излучения.
Конструкция предлагаемого сенсорного элемента показана на фиг. 1 и состоит из сцинтилляционного оптического волокна 1, которое помещено в светонепроницаемый корпус 2, и оптического разъема 3. Светонепроницаемый корпус 2 выполнен в виде металлического полого цилиндра с зеркальной внутренней поверхностью и обеспечивает физическую защиту от бокового проникающего бета-излучения. Один из торцов сцинтилляционного оптического волокна 1 соединен с оптическим разъемом 3, а второй отполирован заподлицо с торцом светонепроницаемого корпуса 2 и является окном для проникновения бета-излучения в сцинтилляционное оптическое волокно. К оптическому разъему 3 подключается транспортное волокно, соединяющее сенсорный элемент с входом счетчика фотонов.
Сцинтилляционное оптическое волокно может быть выполнено короче светонепроницаемого корпуса сенсорного элемента, таким образом, что часть корпуса, не заполненная волокном, выступает в качестве бленды, ограничивающей телесный угол, в пределах которого на чувствительный элемент поступает бета-излучение от источника (фиг. 1). Для плавной регулировки величины данного телесного угла часть корпуса, не заполненная сцинтилляционным оптическим волокном, может быть выполнена в виде подвижного элемента, перемещающегося вдоль сцинтилляционного оптического волокна.
Такой сенсорный элемент предназначен для использования совместно с оптоволоконной дозиметрической системой (фиг. 2).
В ее состав входят: сенсорный элемент 4, транспортное оптическое волокно 5, счетчик фотонов 6 и микроконтроллерная система 7. Сенсорный элемент находится в зоне воздействия ионизирующего излучения. Транспортное оптическое волокно 5 соединяют сенсорный элемент 4 со счетчиком фотонов 6, сигналы которого предварительно обрабатывает микроконтроллерная система 7. К выходу микроконтроллерной системы может быть подключен персональный компьютер 8 с программным обеспечением для отображения и обработки результатов измерений. Кроме того, персональный компьютер управляет трехкоординатным столом 10, позволяющим позиционировать источник ионизирующего излучения 9 относительно сенсорного элемента 4.
В составе оптоволоконной дозиметрической системы сенсор работает следующим образом.
Источник ионизирующего излучения помещается на рабочий трехкоординатный стол. Под воздействием бета-излучения источника ионизирующего излучения проходящего через входной торец сенсорного элемента в сцинтилляционном оптическом волокне генерируются фотоны на длине волны порядка 0,5 мкм. С выходного торца волокна оптическое излучение поступает в транспортное оптическое волокно, соединенное с входом счетчика фотонов. Выходной сигнал счетчика фотонов представляет собой последовательность импульсов, количество которых в единицу времени пропорционально оптической мощности на его входе. Мощность оптического излучения сенсорного элемента пропорциональна уровню бета-излучения. Электрические сигналы счетчика фотонов поступают в микроконтроллерную систему, которая осуществляет подсчет импульсов с выхода счетчика фотонов в течение фиксированного времени. Результаты подсчета импульсов усредняются и преобразуются в значения выхода бета-излучения. Полученное значение может отображаться на индикаторе микроконтроллерной системы, а также передаваться в персональный компьютер. Для изменения координат области на поверхности источника ионизирующего излучения (ИИИ), с которой осуществляется измерение, используется трехкоординатный управляемый столик, при помощи которого возможно просканировать всю поверхность ИИИ и получить профиль выхода бета-электронов. Пространственное разрешение такой системы будет определяться диаметром сердцевины сцинтилляционного волокна, телесным углом, в пределах которого на чувствительный элемент поступает бета-излучение от источника, и шагом перемещения сенсорного элемента относительно поверхности источника, и может достигать половины диаметра сердцевины (~ 50 мкм).
На фиг. 3 изображен экспериментальный профиль выхода бета-электронов источника размером 1×1 см, по одной из координат.
На фиг. 4 представлена зависимость выхода бета-частиц от расстояния до источника ионизирующего излучения.
Таким образом, разработан сенсорный элемент, обеспечивающий повышение пространственной разрешающей способности измерения выхода бета-излучения с поверхности бета-источников ионизирующего излучения, и возможность измерения поверхностных профилей выхода бета-излучения.