ОПТОВОЛОКОННАЯ БЕТА И ГАММА ДОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к технике регистрации бета- и гамма-излучения и может быть использована при создании высокочувствительных детекторов для оптической дозиметрии, в частности в квазираспределенных волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений для контроля экстракционно-хроматографических процессов выделения целевых радиоизотопов.
Известна оптоволоконная дозиметрическая система (Пат РФ №138047) включающая 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. Данная система предназначена для измерения бета-излучения.
Недостатком известной системы является отсутствие возможности детектирования одновременно с бета-, также и гамма-излучения. Кроме того, точность измерения активности в такой системе не высока, поскольку используется лишь один измерительный канал и один сенсорный элемент.
Также известна многоканальная дозиметрическая система (Пат РФ №154082) для измерения во времени активности источников ионизирующего излучения при проведении экстракционно-хроматографических процессов, включающая 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 в систему дополнительно введены несколько сенсорных элементов на основе полимерных сцинтилляционных волокон, каждый из которых посредством транспортного оптического волокна соединен с отдельным входом дополнительного многоканального оптического коммутатора, управляемого с помощью микроконтроллерной системы, выход которого соединен с входом фотоприемника. Данная система также предназначена для измерения бета-излучений и не чувствительна к гамма излучению.
Цель предлагаемой полезной модели: разработать волоконно-оптическое устройство для измерения во времени активностей источника гамма- и бета-излучений на выбранном участке экстракционно-хроматографической колонки при проведении процессов выделения целевого радиоактивного изотопа.
Технический результат: расширение функциональных возможностей за счет реализации одновременного измерения активности источника гамма- и бета-излучений на выбранном участке экстракционно-хроматографической колонки при проведении процессов выделения целевого радиоактивного изотопа, повышение точности и скорости измерений.
Достижение технического результата осуществляется за счет использования сенсорного элемента, содержащего два оптических разъема, с которыми соединены два торца полимерного бета-чувствительного сцинтилляционного оптического волокна, расположенного в несколько витков по окружности на внутренней поверхности отверстия в корпусе сенсорного элемента и два оптических разъема, с которыми соединены торцы дополнительного спектросмещающего оптического волокна, уложенного в виде концентрических витков, покрывающих всю поверхность объемного гамма-чувствительного тороидального пластикового сцинтиллятора, размещенного в цилиндрическом отсеке корпуса сенсорного элемента с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии цилиндрического отверстия в корпусе сенсорного элемента и с внутренним радиусом, большим чем радиус отверстия в корпусе сенсорного элемента, а все четыре оптических разъема сенсорного элемента посредством транспортных оптических волокон соединяются с четырьмя отдельными входами многоканального оптического коммутатора.
Описание полезной модели
При производстве радионуклидной продукции одной из важнейших технологических операций является экстракционно-хромотографическое выделение целевого изотопа. Выполнение этой операции проводится на экстракционно-хроматографических колонках из различных материалов, имеющих круглое сечение. Контроль хроматографических процессов выделения целевого радиоизотопа является также важной технологической операцией и требует эффективных методов и средств измерений. При выделении бета- и гамма-излучающего радиоизотопа необходимо осуществлять контроль активности по каждому виду излучения. Предлагаемая полезная модель решает задачу контроля во времени процесса хроматографического выделения бета и гамма-излучающего радиоизотопа по каждому виду излучения.
Структурная схема предлагаемой оптоволоконной бета- и гамма-дозиметрической системы приведена на фиг. 1.
В ее состав входят: сенсорные элементы 1, транспортные оптические волокна 2, многоканальный оптический коммутатор 3, счетчик фотонов 4 и микроконтроллерная система 5. Сенсорный элемент располагается в активной зоне вокруг хроматографической колонки и находится под действием ионизирующего излучения. Транспортные оптические волокна 2 соединяют сенсорный элемент 1 с находящимся вне активной зоны многоканальным оптическим коммутатором 4 и затем со счетчиком фотонов 5. К выходу микроконтроллерной системы может быть подключен персональный компьютер 6 с установленным программным обеспечением для отображения и обработки результатов измерений (фиг. 1).
Конструкция сенсорного элемента оптоволоконной бета- и гамма-дозиметрической системы показана на фиг. 2. В состав сенсорного элемента входят: металлический корпус 7, содержащий сквозное цилиндрическое отверстие 8, металлические защитные верхняя и нижняя крышки 9, чувствительное к бета-излучению сцинтилляционное полимерное волокно 10, расположенное в несколько витков по окружности на внутренней поверхности отверстия в корпусе сенсорного элемента, сквозь которое проходит исследуемый протяженный источник ионизирующего излучения. Торцы, чувствительного к бета-излучению сцинтилляционного полимерного волокна выведены на два из имеющихся оптических разъемов 11 на корпусе сенсора 7. Гамма-чувствительный тороидальный пластиковый сцинтиллятор 12, поверхность которого покрыта концентрическими витками спектросмещающего волокна 13, размещен в цилиндрическом отсеке 14 корпуса сенсорного элемента с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии цилиндрического отверстия в корпусе сенсорного элемента и с внутренним радиусом, большим чем радиус отверстия 8 в корпусе сенсорного элемента. Торцы спектросмещающего волокна выведены на два других оптических разъема 11, расположенных на корпусе сенсорного
элемента 7. К этим разъемам подключены четыре транспортных оптических волокна 2, соединяющие сенсорный элемент 1 с четырьмя каналами многоканального оптического коммутатора 3.
Крепление сенсорного элемента 7 в заданной области хроматографической колонны осуществляется с помощью вспомогательных приспособлений.
Конструктивное единство в системе обеспечивается за счет свинчивания сенсорного элемента 1 с транспортными оптическими волокна 2, тик же свинчивания транспортных оптических волокон с многоканальный оптический коммутатором 3, свинчивания многоканального оптического коммутатора с транспортным оптическим волокном 2, свинчивания транспортного оптического волокна 2 со счетчиком фотонов 4, для чего все указанные элементы оснащены резьбовыми оптическими разъемами. Счетчик фотонов 4 соединяется с микроконтроллерной системой 5 методом пайки электрических проводов.
Система работает следующим образом Сенсорный элемент при помощи вспомогательных приспособлений закрепляется либо на штативе, либо непосредственно на экстракционно-хроматографической колонке, в которой происходит разделение радиоактивных изотопов таким образом, что она проходит через цилиндрическое отверстие в корпусе сенсорного элемента. При выделении изотопа с одновременным бета- и гамма-излучением поток бета-излучения от заданной области колонки попадая на бета-чувствительное сцинтилляционное волокно, расположенное в несколько витков по окружности на внутренней поверхности цилиндрического отверстия в корпусе сенсорного элемента, преобразуется в видимое оптическое излучение с длиной волны около 0.5 мкм. Часть данного излучения формирует оптический поток, распространяющийся внутри сцинтилляционного волокна к обоим торцам. Мощность оптического
излучения в сцинтилляционном волокне пропорциональна уровню бета-излучения. Для повышения точности измерения, используются оба торца сцинтилляционного волокна. Оптические сигналы с торцов сцинтилляционного волокна поступают в транспортные оптические волокна, соединенные с двумя входами управляемого посредством микроконтроллерной системы многоканального оптического коммутатора, и, затем посредством транспортного оптического волокна поочередно поступают на вход счетчика фотонов. Выходной сигнал счетчика фотонов представляет собой последовательность импульсов, количество которых в единицу времени пропорционально оптической мощности на его входе. В результате, частота импульсов на выходе фотоприемного устройства оказывается пропорциональна уровню бета-излучения. Электрические сигналы откликов от торцов сцинтилляционного волокна со счетчика фотонов посредством электрических соединительных проводов поступают в микроконтроллерную систему, где усредняются и преобразуются в значения активности бета-источника. Микроконтроллерная система осуществляет подсчет импульсов с выхода фотоприемного устройства в течение фиксированного времени. Полученный результат может отображаться на индикаторе микроконтроллерной системы, а также передаваться в персональный компьютер.
В рассматриваемом сенсорном элементе, при наличии гамма-излучения у целевого изотопа, в качестве чувствительного элемента выступает объемный тороидальный пластиковый сцинтиллятор. Под воздействием гамма-излучения он генерирует фотоны на длине волны порядка 0,4 мкм, которые при попадании на спектросмещающее волокно, покрывающее всю поверхность объемного гамма-чувствительного тороидального пластикового сцинтиллятора, преобразуются в излучения на длине волны порядка 0,5 мкм. Часть этого оптического излучения поступает на торцы спектросмещающего волокна, далее по транспортным оптическим волокнам попадает на входы управляемого посредством микроконтроллерной системы многоканального
оптического коммутатора, и, затем поочередно поступают на вход счетчика фотонов. Электрические сигналы счетчика фотонов поступают в микроконтроллерную систему, где усредняются и преобразуются в значения активности гамма-источника.
Данные процессы могут наблюдаться системой непрерывно в течение времени выполнения технологической операции экстракционно-хромотографического выделения целевого радиоизотопа.
Таким образом, разработана волоконно-оптическая дозиметрическая система для измерения изменений во времени активности бета- и гамма источника ионизирующего излучения на выбранном участке хроматографической колонки при проведении процессов выделения целевого радиоактивного изотопа, обладающая расширенными функциональными возможностями за счет реализации одновременного измерения активности источника гамма- и бета-излучений и повышенной точностью измерений за счет использования оптических сигналов с обоих торцов сцинтилляционного и спектросмещающих волокон.