Способ идентификации источника проникающего излучения

 

Использование: изучение внутренней структуры источников проникающих излучений, инспекция объектов из делящихся материалов. Сущность изобретения: гамма-нейтронное изображение объекта проецирует в плоскость конвертора через множество отверстий-коллиматоров в защитном экране, расположенных с шагом, выбранным из условия, приведенного в описании. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам изучения внутренней структуры объектов, являющихся источниками ядерных излучений, и может быть использовано, например, для контроля объектов из делящихся материалов.

Известно техническое решение задачи, согласно которому идентификацию источника проникающего излучения осуществляют визуальным отображением пространственного распределения физических характеристик в слое материала [1]. При этом используют значение сигналов, сформированных с помощью нескольких радиационных детекторов, сгруппированных в несколько измерительных цепочек, ориентированных вдоль соответствующих направлений в слое. Распределительное устройство "предписывает" одно из значений сигнала к одной из множества точек изображения. Такую операцию повторяют для каждой из цепочек.

Однако для ряда специфических источников, например, из делящихся материалов использование известного решения порождает ряд проблем.

Известен способ идентификации источника проникающего излучения, заключающийся в проецировании его гамма-нейтронного изображения в плоскость конвертора (например, сцинтилляционного) с помощью коллиматора по принципу камеры - обскуры с последующей регистрацией пространственного распределения актов взаимодействия в конверторе (например, с помощью электронно-оптического преобразователя), и анализе этого распределения. Коллиматор с диаметром отверстия δ располагают на расстоянии l₁ от объекта, а сцинтилляционный конвертор размещают на одной оси с объектом и коллиматором на расстоянии l₂ от последнего [2].

Для обеспечения приемлемого качества изображения, характеризуемого способностью различать границу, обладающую контрастом яркости k = 2˙|B₁- B₂| /(B₁ + B₂), где В₁ и В₂ - яркости по разные стороны от границы, с пространственным разрешением по объекту δ_o=δ˙ (l₁ + l₂)/l₂, необходимо, чтобы объект обладал минимальной яркостью В_min = A˙l₁²/δ_o ^(4-5)˙ k²) ˙(M + 1)²/M³, (1) где А - коэффициент, зависящий от свойств конвертора (например, сцинтиллирующего материала, примененного в конверторе); М = l₂/l₁ - масштаб проецирования гамма- или нейтронного изображения. Из (1) следует, что выгодно увеличивать масштаб проецирования М.

В ряде практически важных случаев, например, при контроле источников излучения (в частности, ядерных реакторов) в космосе расстояние l₁ может достигать десятков километров. При этом любые разумные базы проекцирования l₂ << l₁. В результате М << 1 и выражение (1) переходит в: B_min = A ˙l₁²/(δ_o⁵˙k²)/M³ = = A ˙l₁⁵/(l₂³˙δ_o⁵˙k²) (2) Оценки показывают, что для характерных яркостей энергетических установок, выводимых в космос, при l₁ = 1 км и l₂ = 10 м может быть получено изображение реактора с пространственным разрешением δ_o≈15 см и k ≈0,5. Такое качество недостаточно даже для однозначного определения назначения реактора с активной зоной, имеющей характерный размер около полуметра. Оно тем более недостаточно для выявления возможных неисправностей в автономных энергетических установках.

Для улучшения качества изображения до пространственного разрешения ≈7,5 см при контрасте границ ≈25%, что может считаться удовлетворительным, необходимо увеличение базы проецирования l₂ хотя бы до 50 м. Это, соответственно, потребует увеличения габаритов устройства, что в конкретных условиях применения труднореализуемо.

Целью изобретения является повышение качества изображения без увеличения базы проецирования.

Способ идентификации источника проникающего излучения состоит в проецировании его гамма-нейтронного изображения в плоскости конвертора с помощью коллиматора с последующей регистрацией пространственного распределения взаимо- действий в конверторе и анализе этого распределения. Согласно изобретению проецирование осуществляют через множество отверстий - коллиматоров в защитном экране, расположенных с шагом d, выбранным из условия d > D_и ˙ l₂/l₁, где D_и - размер источника излучения; l₁ - расстояние между объектом и коллиматором; l₂ - расстояние между коллиматором и конвертором, и дополнительно обрабатывают изображение путем суммирования отдельных изображений в единой системе координат с шагом d_к, выбранным из условия d_к = d ˙ (l₁ + l₂)/l₁.

Кроме того, с целью расширения диапазона яркостей идентифицируемого объекта, отверстия-коллиматоры выполняют группами с различными диаметрами, при этом осуществляют суммирование изображений от отверстий с одинаковыми диаметрами и анализируют результат.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении качества изображения, позволяющего более точно идентифицировать источник излучения, обусловлено тем, что при сложении изображений, спроецированных в плоскость конвертора отдельными отверстиями, суммарное число актов взаимодействия, зарегистрированных на соответствующих участках конвертора, обладает большей статистической точностью, чем в одиночном изображении.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - пример расположения отверстий-кол- лиматоров; на фиг. 3 - распределение освещенности конвертора от отверстий одного диаметра (для двух групп отверстий) до суммирования; на фиг. 4 - изображение объекта после суммирования и нормировки на диаметры и число отверстий.

Устройство, реализующее способ, содержит систему отверстий -коллиматоров 1 в защитном экране 2, сцинтилляционный конвертор 3, фотоэлектрический преобразователь 4, систему 5 обработки изображений. Защитный экран 2 с коллиматорами 1 расположен на расстоянии l₁(расстояние регистрации) от объекта 6, в составе которого находится идентифицируемый источник 7 излучения. Конвертор 3 находится на расстоянии l₂ (база проецирования) от системы отверстий-коллиматоров 1.

Способ осуществляют следующим образом.

Для получения гамма-нейтронного изображения устройство ориентируют так, чтобы объект 6, центр защитного экрана 2 и центр конвертора 3 находились на одной оси. Если в составе объекта 6 имеется источник 7 гамма-квантов или нейтронов, гамма-нейтронные изображения источника 7 через отверстия-коллиматоры 1 проецируются на поверхность сцинтилляционного конвертора 3, при этом число изображений соответствует числу отверстий-коллиматоров 1. Выбором шага размещения отверстий-коллиматоров обеспечивается формирование отдельных изображений без наложения их друг на друга (фиг. 3). Распределение освещенностей в каждом отдельном изображении определяется по числу актов взаимодействия в соответствующем участке конвертора 3. При небольшой яркости источника 7 каждое отдельное изображение преобразуется сцинтиллятором в конечное число треков, испускающих при энергиях гамма-квантов и нейтронов деления в среднем 10³-10⁴ фотонов. При переносе изображений вспышек сцинтилляции на фотокатод э.о.п. светосильной оптикой можно получить достаточное усиление яркости для их регистрации системой 7 обработки (например, телевизионной) с запоминанием координат каждого взаимодействия.

В силу статистического характера взаимодействий пространственное распределение числа взаимодействий n(x) в каждом отдельном изображении (фиг. 3) может значительно флуктуировать. Система обработки изображений суммирует число взаимодействий по всем изображениям, полученным с использованием коллиматоров одного диаметра, в единой системе координат х' y' так, что:
N(x' ,y' ) = n(x,y) + n(x + d_x, y + d_y) + ... +
+ n(x + m_x˙d_x, y + d_x) + n(x + d_x, y +
+m_y˙d_y) + ... + n(x + m_x˙d_x, y +
+m_y˙d_y) = n(x + i˙d_x, y + k˙d_y), т.е. суммирование производится по всем m_x˙m_y изображениям, где m_x, m_y - число "строк" и "столбцов" отверстий данного диаметра.

В результате в системе обработки появляется суммированное распределение освещенностей в единой системе координат, обладающее лучшими статистическими характеристиками, чем одиночное изображение. В частности, яркостное разрешение (точность определения яркости) по сравнению с прототипом при том же расстоянии проецирования l₂ улучшается в раз.

Это обстоятельство иллюстрируется фиг. 4, где изображены сечения яркостей источника (например, активной зоны реактора 7, изображенной на фиг. 1) по осям х и y, полученные при использовании двух групп отверстий разного диаметра, после нормировки на диаметры и число отверстий. Распределения I, полученные при помощи коллиматоров меньшего диаметра, обладают лучшей пространственной, но худшей яркостной точностью по сравнению с распределениями II, полученными с помощью коллиматоров большего диаметра. Таким образом, применение отверстий разного диаметра позволяет расширить диапазон регистрируемых яркостей. Менее яркая область (например, возникшая в результате аварийного расплава и перемещения части топлива активной зоны) при хорошем пространственном разрешении может давать освещенность конвертора, неразличимую из-за фона космических излучений (при проецировании через отверстия малого диаметра). Группа же отверстий большего диаметра позволит такую область зафиксировать.

Эффективность предложенного решения определяется более полным использованием информационных возможностей конверторов, работающих при малых уровнях освещенности, без увеличения базы проецирования, что делает предлагаемый способ более работоспособным по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИСТОЧНИКА ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, состоящий в проецировании его гамма-нейтронного изображения в плоскость конвертора с помощью коллиматора с последующей регистрацией пространственного распределения актов взаимодействий в конверторе и анализом этого распределения, отличающийся тем, что используют коллиматор, выполненный в виде защитного экрана со множеством коллимационных отверстий, расположенных с шагом d, выбранным из условия
d > D_и · l₂/l₁,
где D_и - размер источника излучения;
l₁ - расстояние между объектом и коллиматором;
l₂ - расстояние между коллиматором и конвертором,
и дополнительно анализируют изображение путем суммирования отдельных изображений в единой системе координат с шагом
d_к = d · (l₁ + l₂)/l₁.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коллимационные отверстия выполняют группами с различными диаметрами, при этом осуществляют суммирование изображений от отверстий с одинаковыми диаметрами и анализируют каждый результат.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4