Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя содержит польш зеркальный световод (ПЗС).1, систему сцинтилляторов 3, каретку для сцир{- тилляторов 3 и механизм ее перемещения . Цель достигается тем, что сцинтилляторы 3 имеют форму цилиндров с покрытием 4, светоотражающим изнутри и светопоглощающим снаружи, снабжены параболическими отражателями 6 света для обеспечения квазипараллельности пучка света и имеют светопоглощающую накладку 7 цилиндрической формы для устранения попадания света на ПЗС 1, причем суммарная длина сцинтилляторов 3 равна 2/3 расстояния от Ьсг; ПЗС 1 до оси ускорителя. В описании изобретения дан вариант конструкции сцинтиллятора 3. 2 з.п. ф-лы, 9 цл, 1 табл. i® 4щп13

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (51)5 Н 05 Н 7 00 С 01 Т 1/17

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ll0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (46) 30.01.90. Бюл. N - 4 (21) 3975973/24-21 (22) 12.1!.85 (72) С.В. Минаев, В.В. Пьянков, А.П, Федотов и И.В. Шумаков (53) 621.384. 6 (088. 8) (56) Афонин А.Г. и др. Нейтронный пучок ИФВЭ. Журнал технической физики, Р 5, 1977. ° с. 997.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1145777, кл. G 01 Т 1/20, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КАНАЛЕ ЛИНЕЙНОГО

УСКОРИТЕЛЯ (57) Изобретение относится к ускорительной технике. Цель иэобретения— повьпиение чувствительности и точности измерений. Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя содержит полый зеркальный световод (ПЗС).1, систему сцинтилляторов 3, каретку для сцинтилляторов 3 и механизм ее перемещения. Цель достигается тем, что сцинтилляторы 3 имеют форму цилиндров с покрытием 4, светоотражающим изнутри и светопоглощающим снаружи, снабжены параболическими отражателями 6 света для обеспечения квазипараллельности пучка света и имеют светопоглощающую накладку 7 цилиндрической формы для устранения попадания света на ПЗС 1, причем суммарная длина сцинтилляторов 3 равна 2/3 расстояния от дс

ПЗС 1 до оси ускорителя. В описании изобретения дан вариант конструкции сцинтиллятора 3. 2 з.п. ф-лы, 9 ил, 1 табл.!

327776

Изобретение относится к ускорительной технике и дозиметрии ионизирующих излучений, н частности к линейным ускорителям ионов.

Целью изобретения является повышение чунстнительности измерений.

На фиг, 1 приведена схема конструкции измерителя с фокусирующей системой, состоящей из двух отражателей света; на- фиг. 2 — сечение по А-A фиг. 1; на фиг. 3 — кривые распреде-. ления интенсивности излучения, снимаемые измерителем при различном суммарном размере сцинтилляторон IIQ продольной координате Z и расположении источника излучения на оси ускорителя в точке 2=0 на расстоянии а от оси снетонода; на фиг. 4 — зависимость неоднородности показаний измерителя

8- !>, — U

U„„ от отношения длины измерителя Е к диаметру светонода 0 при различнЬ|х углах расходимости пучка света u коэффициента отражения о поверхности снетовода; на фиг. S изображена схе- 30 ма системы сцинтилляторон с параболическими отражателями; на фиг. 6 схема конструкции измерителя с фокусирующей системой, состоящей из двух линз; на фиг. 7 — сечение по Б-Б. на фиг. 6; на фиг. 8 — схема системы сцинтиллятора с линзами; на фиг. 9 представлена зависимость световыхода системы сцинтиллятор-линзы от диаметра d сцинтиллятора. 40

Устройство содержит полый зеркальный снетовод 1, который расположен вдоль и вплотную к конструкции линейного ускорителя 2 ионов параллельно его оси, цилиндрические сцинтилляторы .3, предназначенные для преобразования ионизирующего излучения в световые сигналы, покрытие 4 сцинтилля гора, снетоотражающего изнутри и снетопоглощающего снаружи„ служащего для переноса света сцинтиллятора на

его открытый торец и устранения большой углонои расходимости светового пучка, полые зеркальные переходники

5, служащие для концентрации света в фокусе отражателей 6, обеспечивающих квазипараллельность пучка света, цилиндрическую светологлощающую накладку 7, служащую для устранения попа,ания света от сцинтиилятора непосредстненно на светонод, фотоэлектронные умножители 8 р у< тановленные на концах световода и служа>цие для преобразования световых сигналов н электрические, каретку 9, на которой закреплены сцинтилляторы с отражателями, которая служит для передвижения их по направляющим 10, электродвигатель 11, который служит цля перемещения каретки с помощью нити 12, оптические линзы 13, служащие для фокусировки света в кназипараллельный пучок, светопоглощающие перегородки 14 .участка измерения, систему сцинтилляторов, снабженную устройством оптической фокусировки света., установленную внутри . световода с во=-можностью перемещения по всей его длине вдоль его оси, расположенную так, что световые сигналы направлены н противоположные концы световода, где установлены дна фотоэлектронных умножителя, система сцинтилляторов выполнена в виде днух цилиндров, каждый из которых Имеет покрытие, светоотражающее изнутри и снетопоглощающее снаружи, охватываю- щее цилиндрическую поверхность и поверхность одного основания каждого сцинтиллятора, к каждому иэ сцинтилляторов прикреплен параболический отражатель, в фокусе которого расположен центр открытого торца сцинтиллятора. К краям отражателей присое" динены снетопоглощающие накладки ци.— линдрической формы, длина которых ранна расстоянию от фокуса отражателя до плоскости, проходящей через его край. Светосодержащее. изнутри покрытие сцинтиллятора обеспечивает собирание света на его открытом торце и вместе со снетопоглощающими накладками на краях отражателей и внешним светопоглощающим покрытием сцинтиллятора устраняет воэможность попадания. света непосредственно.от сцинтилля-, тора на поверхность световода и, следовательно, устраняет большие углы расходимости светового пучка,.идущего от системы сцинтилляторы-отражатели н противоположные концы световода. Наибольший суммарный размер системы сцинтилляторов вдоль продольной оси составляет 2/3 расстояния от оси световода до оси ускорителя..

С целью дальнейшего увеличения чувствительности измерителя увеличивают диаметр сцинтилляторов в 2-3

1327776

I, (Z)1+(о )г а

gZ, =2а раза и устанавливают на торцах сцинтилляторов, обращенных в сторону отражателей, полые зеркальные переходники-фоконы, выходное отверстие которых находится в фокуса.. отражателей и имеет диаметр, меньший диаметра сциптиллятора и равный расчетному значению d,d=2qt(q, при котором обеспечивается заданная угловая рас- 10 ходимость с пучка света от отражателя (при заданном фокусном расстоянии отражателя q ). .Диаметр сцинтилляторов может быть больше диаметра d в 2-3 раза. Внешняя сторона фоконов 15 должна иметь светопоглощающее покрытие по той причине, что и покрытие сцинтиллятора, чтобы устранить отражение света от фокона и появление лучей .с большей угловой расходимостью.2п

С целью дальнейшего увеличения чувствительности система сцинтилляторов выполнена из одно".î сцинтилля- тора цилиндрической формы, ось которого расположена по оси световода", 26 цилиндрическая поверхность сцинтиллятора имеет покрытие, светоотрчжающее изнутри и светопоглощающее снаружи.

На торцах установлены полые зеркальные переходники-фоконы; с двух сторон ЗО от сцинтиллятора установлены оптические линзы; фокусы которых находятся в центре выходных отверстий фоканов.

Пространство между линзами разделено светоноглощающей перегородкой 14, устраняющей попадание света, служащей для поглощения света, отраженного от внутренней поверхности линз.

Устройство работает следующим образом. Полый зеркальный световод 1, гп диаметр которого может быть равен

0,06-0,12 м, а длина 20-30 м, расположен неподвижно на участке ускорителя,. где необходимо провести измерение распределения потерь пучка, а5 вплотную к резонаторам ускорителя.

Затем нри включенном ускорителе с помощью электродвигателя 11 и нити 12 перемещают каретку 9 с прикрепленными к ней отражателями 6, сцинтиллято- бб рами 3, имеющими покрытие 4 и полые зеркальные переходники 5, по направляющим 10 из одного конца световода в другой. При этом иониэирующее излучение, проходящее через сцинтиллятор, вызовет испускание света. Свет от сцинтилляторов с помощью светоотражайщих покрытий 4 и полых зеркальных переходников 5 соберется в выходном отверстии малого диаметра, расположенном в фокусах отражателей, будет направлен отражателями в виде пучка малой угловой расходимости в противоположные кони световода 1, где попадает на фотокатоды стоящих там фотоэлектронных умножителей 8, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Электрические сигналы после фотоэлектронных умножителей складываются в результирующий сигнал. Таким образом получают распрецеление ионизирующего излучения вдоль участка измерения.

Суммарная длина по Z системы сцинтилляторов влияет на точность измерения, которую можно характеризовать разрешением Ь Х вЂ” расстоянием по Z, на котором еще можно различить два точечных источника ионизирующего излучения равной интенсивности. При общей длине по 2 сцинтилляторов 2 а /3, где q — расстояние от оси световода до оси ускорителя, разрешение увеличивается (т.е. ухудшается) на 67 по сравнению со случаем одного точечного сцинтиллятора, а при больших длинах (1-1,3)a разрешение d Z больше разрешения точечного сцинтиллятора на 12-18Х, т.е. при длине сцинтилляторов, большей 2а /3, происходит быстрое ухудшение точности измерения.

Распределение интенсивности I ионизирующего излучения по продольной координате Z в случае измерителя с одним сцинтиллятором малых размеров без учета затухания в световоде будет иметь вид где I — интенсивность при Е=Е а — расстояние от сцинтиллятора до оси ускорителя;

q — фокусное расстояние отражателя.

Величина А Z определяется шириной по Z кривой I,(Z) на полувысоте и равна

График I (2) приведен на фиг.3 кривая 15. В случае двух протяженных сцинтилляторов длиной 1, находящихся один от другого на расстоянии 2q, 132 П76 6 ражателя, и фок ясным ра< стбянием q отражателя

,е

1 (. )2 а

d7.

t Ф

- -е

1+(о

d КЧ =

? (z. )=?

График ?,(Z) для 2(q+?) 2 а/3 — =0,14 приведен на фиг. 3, кривая 16. Величина Ь 7. больше Ь Z, на 6Х. Кривая 17 1$ ,на фиг. 3 дает значение ? (Е) для значения 2(q+1)=a. Здесь величина

6 Z, уже больше и Е, на 1 2Х Перелом в увеличении и Е и соответственно н ухудшении точности измерения насту- 20 пает в районе значения 2(с +1)=2 а/3, поэтому. угеличивать длину каждого иэ сцинтилляторов больше а/ 3-q неэффективно.

Отношевие диаметра торца сцинтиллятора к величине фокусного расстояния отражателя достигает значения

- О, 1и определяется расчетным путем из выбираемой допустимой нерднародности показания измерителя от про- 30 дольной координаты сцинтиллятора. Отношение фокусного расстояния отражателя к его диаметру определяется расчетным путем из условий достижения наибольшего потока света, попадающего на отражатель. На фиг..4 приведены криные максимальной длины измерителя ?. от вели;ины неоднородности показаний измерителя 3 при постоянном потоке света от продольной коор- 40 динаты сцинтилля тора

Ф=(1-Соэч ) Ф,„

? л си к с ? м ид

?маме где ?„ „,,„,„„ — максимальное и мини; 1$ мальное показания измерителя, для нескольких значений угла расходимости пучка света и коэффициентов отражения поверхности световода в . Достижение большой длины измерителя Ь= 20 м при диаметре светонода D=0,1. м при пренебрежимо малой неоднородности по". казания измерителя 8 =1,3-3Х для практически достижимого значения р 0,96 связано с уменьшением угла расходимости Ц светоного пучка до о значений .3 -5 . Угол расходимости определяется диаметром торца сцинтиллятора d, находящегося н фокусе отФ Ч

1 = ——

Фо Чо (-- q) а

3 — = () а (— -q )

3 где С вЂ” константа, определ: емая из условия нормировки

Для tp =3 -d=0 1q

Уравнение сечения поверхноати параболического отражателя плоскостью, проходящей через ось снетонода, имеет вид4Ч 9 где Y u Z - -поперечная и продольная координаты соответственно, На .фиг. 5 изображена схема отражателя со сцинтиллятором. При диаметре отражателя, равном диаметру световода D=0,1 и, q=0, 025 м, d=0,.0025 м, весь снет, выходящий иэ сцинтиллятора, попадае> на отражатель. Угол у обоэначенньМ на фиг. 5, в этом случае ранен 90

При увеличении диаметра d и фокусного расстояния ц при неизменном их отношении угол у уменьшается и уменьшается поток света Ф, попадающий на отражатель где Ф - поток света, идущий от сцинтиллятора.

В таблице приведен ряд значений и н q при их неизменном отношении, о

d/q=0р 1 H угле расходимости ср =3 у соответствующие им величины у, Ф/Ф величина относительного увеличения. объема сцинтиллятора Ч/Ч, тень от

d сцинтиллятора t (— ), где D -диаметр отражателя 0=0,1-м, коэффициент изменения светового потока, выходящего с отражателя под углом расходимости 3

Величина V/× определялась формулой

I где а — расстояние от ос и ускорителя до сцинтиллятора, а=0,24 и; диаметр сцинтиллятора и фокусное расстояние отражателя соответственно а при 90

1327776

Диаметр сцинтилФокусное расстояние отДоля света от cUHHTIUI

Тень от

Коэффициент увеличения светового поград н.ед сцинтиллятора с, 7 лятора, м лятора, попадающего на отражаель ФИо отн.ед. ража=еля

q и тока у, отн.ед.

1,00

0,062

1,00

0,09

1,04

0,8

1,15

1,27

1,04

0,12

0,55

2,56

0,16

1,03

1,6

0,40

0,25

0,86

d, =0,01 м

90 0,0025 0,025

79 0,0030 0,03

70 0,0035 0,035

63 0,0040 0,04 .,53 0,0050 0,05

Из таблицы видно, что тень от сцинтиллятора пренебрежимо мала, световыход системы сцинтиллятор-отражатель при изменении фокусного расстояния отражателя имеет плавный чаксимум., В случае приведенных параметров

П9яОф030ф01м °

q op

Если применить не конический, а параболический фокон и принять значение коэффициента отражения фокона

0,9-0,96, которое может быть реально достижимо, то выигрыш в световоде возрастет еще иа 20-307..

В случае конструкции измерителя, изображенного на фиг. 6, от длины сцинтиллятора зависит разрешение h Z измерителя и с достаточной точностью справедливы кривые распределения фиг. 3 интенсивности излучения при .точечном источнике излучения на оси ускорителя. При длине сцинтиллятора

2а

l — точность измерения ухудшается

3 на - 67 по сравнению со сцинтиллятором малых размеров, а увеличение длины сцинтиллятора больше значения — нежелательно, так как приводит к

2а

3 значительному ухудшению точности измерения.

Отношение диаметра торца сцинтиллятора к величине фокусного расстоя" ния линзы достигает значения л О, 1 и определяется расчетным путем из выбираемой допустимой неоднородности показания измерителя от продольной координаты сциитиллятора. Отношение фокусного расстояния линз к их диа25 метру определяется расчетным путем из условий оптимального соотношения величины потока света, выходящего иэ системы сцинтиллятор-линза, и расстоянием между линзами.

30 Угол расхс цимости светового пучка определяется диаметром торца сцянтиллятора d и фокусным расстоянием q линзы. Если требуемая неоднородноСть измерителя 0 =1,5Z при коэффициенте отражения Р =0,96, то угол у должен быть 3, а d=0,1q.

В изображенной на фиг. 8 схеме сцинтиллятора с линзами при диаметре линзы, равном диаметру световода

40 D=0,1 м, угол между осью световода и крайним лучом, попадающим на линзу, удовлетворяет соотношению

tgÒ =

2q

При увеличении диаметра d и фокусного расстояния q при их неизменном от-, ношении угол ц уменьшается и уменьшается поток света Ф, попадающий на линзу

50 о

Ф=(1-cosy) Ф =(1-cos(arctg — ) Ф, 2q о где Ф вЂ” поток света, выходящий из сцинтиллятора.

Световыход .системы сцинтнллятор—

55 линза

p - — () = (— ) (1-cos(arctg г — ), Ф d и d

1327776

1О

График эависимости t(= (d) при D=0,1и, d — О, 1 приведен -на фиг. 9. Из графиЧ ка видно, что световыход достигает максимума при наибольшем значении d, равном диаметру световода. Однако увеличение d больше 0,01-0,02 м нецелесообразно, так как лри этом рост световыхода очень мал, а рост длины 10 системы сцинтиллятор-линзы велик, что приводит к возникновению мертвой эоны измерений.

С целью дальнейшего увеличения чувствительности измерителя увеличивают диаметр сцинтиллятора в 2-3 раза,и устанавливают иа его торцах полые зеркальные переходники-фоконы, выходные отверстия которых находят ся в фокусах линз и имеют диаметры 20 в 2-3 раза меньше диаметра сцинтиллятора и равные расчетному значению d

d = 2q tg(g при котором обеспечивается заданная угловая расходимость tg пучка света, идущего от системы сцинтиллятор-линзы. Выигрьпп в световыходе по сравнению со случаем беэ фоканов составит не менее 60-100 . 30

Работа устройства, изображенного на фиг. 9, отличается от изображен ного на фиг. 4 тем, что свет от сцинтиллятора, вьппедший иэ фоконов, будет направлен линзами в виде лучка малой угловой расходимости в противоположные концы световода с помощью линз.

Расчетным путем установлено, что . конструкция системы сцинтилляторов с 40 отражателями позволяет увеличить объем сцинтиллятора примерно в 3-4 раза, конструкция с линзами — в 5-6 раэ.

Применение фоконов позволяет увеличить эффективный объем еще в 1 52 раза. Поскольку чувствительность . измерителя пропорциональна эффективному объему, то использование изобретения позволит увеличить чувствительность в 5-12 раз.

Использование изобретения уменьшит поток света в зеркальном еветоводе эа счет сужения угловой расходимости пучка света, идущего от системы сцинтиллятор-оптические элементы, а малые потери света в свою очередь сведут к допустимой величине 3-5% параэитиую зависимость показания измерителя от координаты сцинтиллятров,лри больших длинах световода

20-30 и, что в 4"6 раэ лревьппает максимальную длину измерителя-прототипа.

Формула изобретения !. Устройство для иэмерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя, содержащее полый зеркальный световод, раслоложенньпЪ вдоль и параллельно оси канала линейного ускорителя вплотную к нему и имеющий длину, равную длине участка измерения, внутри которого расположена система сцинтилляторов с элементами для фокусировки пучков светового излучения х взаимно противоположным торцам световода, на которых установлены фотоэлектронные умножители„ и механизм для перемещения сцинтилляторов вдоль полого световода, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повы- шения чувствительности и точности измерений, система сцинтилляторов выполнена в виде двух цилиндров, каждый из которых имеет светоотражающее изнутри покрытие, нанесенное на боковую цилиндрическую поверхность и поверхность одного торца каждого .сцинтиллятора, сцинтилляторы снабжены . параболическими отражателями света, расположенными так, что центр открытого ч орца сцинтиллятора совмещен с фокусом его отражателя, а на краях отражателей установлены светопоглощающие накладки цилиндрической формы, при этом, суммарная длина сцинтилля-. торов равна 2/3 расстояния от оси световода до оси ускорителя.

2. Устройство по п.1, о т л и— чающее с я тем, что на открытых торцах сцинтилляторов установ1 лены полые зеркальные переходники, покрытые снаружи светопоглощающим покрытием, фокусы отражателей расположены в центрах выходных отверстий зеркальных переходников.

3. Устройство ло п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что система сцинтилляторов состоит из одного сцинтиллятора цилиндрической формы, на торцах сцинтиллятора установлены полые зеркальные переходники, с двух сторон от сцинтиллятора установлены фокусирующие линзы так, что фокусы линз совпадают с центрами отверстий зеркальных переходников, пространство между линзами разделено светопоглощающей перегородкой.

132 7776

1327776

Фиг. 7!

327776

Составитель Н. Катинова

Редактор Т. Лошкарева Техред И.Ходанич Корректор В. Гирняк!

57 .Тираж 666 Подписное

BHHNIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4