Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в научно-измерительной аппаратуре, а также при разработке средств оперативного обнаружения и идентификации контрабандных материалов. Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение содержит сборку сцинтилляционных пластин, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая световой пучок для ввода в акустооптический фильтр с линейным изменением частоты настройки от генератора накачки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов линейной перестройки акустооптического фильтра от генератора накачки путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы. Технический результат - повышение точности измерений формы спектров сигналов откликов для достоверной идентификации атомных элементов. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано в научной измерительной аппаратуре, а также при разработке средств оперативного обнаружения и идентификации контрабандных материалов при таможенном досмотре, патрулировании государственных границ.

В настоящее время для экспресс-анализа контрабандных материалов развиваются методы их активного облучения с целью увеличения скорости деления и последующей регистрации сигналов откликов либо мгновенной, либо запаздывающей реакции веществ на проникающее облучение. При этом выявление сигнатурных признаков контрабандного материала базируется на измерении амплитудно-временных зависимостей между мгновенной и запаздывающей реакцией вещества на облучение. Для идентификации атомных элементов используют корреляционный анализ амплитудно-временных сигналов. Преобразование проникающей радиации в электрический сигнал осуществляют посредством детекторов-дискриминаторов.

Известно "Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения" - Патент RU №2264674, H01J, 47/02, G01T, 1/185, 2003 г. - аналог. Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, в качестве катода использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон, при давлении 40-50 атм и соответственно с плотностью 0.3-0.6 г/см3 с добавлением водорода в количестве 0.2-0.3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования σ≈(3÷5)%.

Сигнал на выходе устройства-аналога пропорционален суммарной мощности потока гамма-нейтронного излучения, что не позволяет, в последующих трактах, разделить этот поток на составляющие по энергетическому спектру отдельных гамма-квантов.

Известны промышленные разработки детекторов-измерителей спектров уровней мощности гамма-излучения: блоки детектирования БДРС, БДЕГ-19П, гамма-детектор-сцинтиллятор CsJ(TI) - фотодиод ФД1001 (http://www.detector.org.ua/detectors.html) - аналоги.

Недостатками аналогов являются:

- невозможность однозначного измерения формы энергетического спектра сигнала отклика;

- малое эффективное сечение (размер апертуры) датчика-преобразователя и, как следствие, - недостаточная чувствительность измерителей.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является "Сцинтилляционный детектор с оптоволоконным съемом информации" разработки ГНЦ ИФВЭ (г.Протвино и ФИАН РАН), серийно производимый ГНЦ ИФВЭ [см. материалы 30-й ВККЛ, Санкт-Петербург, 2008 г.] (http://theory.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/2008_StPetersberg/RCRC2008/PROC/E AS/EAS_20.pdf). Он представляет собой двухслойную сборку сцинтилляционных пластин общей площадью 1 м2. Каждый слой собран из пластин 20×20×0.5 см3. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон - файберов. В каждой пластине имеется 4 канавки с шагом 3.6 см глубиной 2.2 мм на расстоянии 4.6 см от краев. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен вплотную к фотокатоду фотоэлектронного умножителя.

Недостатком ближайшего аналога является невозможность выделить энергетический спектр исходного сигнала на выходе счетчика после усиления общего светового потока фотоэлектронным умножителем.

Задача, решаемая заявляемым измерителем, состоит в достоверной регистрации энергетического спектра исходного сигнала отклика атомного элемента на зондирующее облучение путем последовательного пропорционального преобразования потока радиации в ультрафиолетовый спектр, а ультрафиолетового спектра в световой поток видимого диапазона с последующим измерением амплитуды спектральных составляющих пропусканием светового потока через линейно-перестраиваемый акустооптический фильтр с регулируемой длительностью импульса пилообразного напряжения развертки.

Техническое решение задачи осуществляется тем, что измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, содержащий сборку сцинтилляционных пластин, преобразующих поток радиации отклика в спектр ультрафиолетового излучения, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, спектросмещающие ультрафиолетовое излучение в спектр видимого диапазона, торец жгута файберов, преобразователь светового потока в электрический сигнал, дополнительно к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая диаметр светового пучка для ввода его в акустооптический фильтр, генератор накачки фильтра с подключенными к нему реактивным элементом и генератором пилообразного напряжения для линейного изменения частоты настройки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов генератора пилообразного напряжения путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - последовательность спектров сигналов: 1) энергетический спектр излучения отклика, 2) спектр ультрафиолетового преобразования энергетического спектра сцинтилляционными пластинами, 3) спектр видимого диапазона на выходе файберов;

фиг.3 - динамика перестройки акустооптического фильтра генератором накачки;

фиг.4 - реализации регистрируемых спектров атомных элементов.

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, фиг.1, содержит сборку сцинтилляционных пластин 1, волокна-файберы 2, уложенные в профильные канавки пластин, собранные в жгут 3 отводы оптического волокна от файберов, светособирающая линза 4 для ввода светового потока в акустооптический фильтр 5, генератор накачки 6 для перестройки частоты фильтра, реактивный элемент 7 генератора накачки 6, генератор пилообразного напряжения 8 для линейной девиации частоты генератора накачки, лавинный фотодиод 9, аналого-цифровой преобразователь 10, буферное запоминающее устройство 11, персональный компьютер 12 в составе элементов: процессор 13, оперативное запоминающее устройство 14, винчестер 15, дисплей 16, принтер 17, клавиатура 18. Синхронизация работы элементов измерителя осуществляется телекоммуникационной программой, записанной в винчестер 15. Телекоммуникационная программа реализует функции: запуск генератора зондирующего пучка с регулируемой длительностью и скважностью пачки зондирующих импульсов, регулирование длительности импульса пилообразного напряжения в зависимости от длительности пачки зондирующих импульсов, пересылку оцифрованных измерений из АЦП 10 и буферного ЗУ 11 в ОЗУ 14 для обработки зарегистрированных спектров сигналов на компьютере 12.

Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Атомные элементы отличаются энергией связи ядра, высвобождаемой при ядерных реакциях. Диапазон энергии излучаемых гамма-квантов и частиц занимает интервал от 1.1 МэВ до 8.8 МэВ. Энергия связи ядер атомных элементов и их изотопов иллюстрируется таблицей 1.

Таблица 1
Ядро Энергия связи Есв, МэВ Отношение Есв к массовому числу, МэВ
1H2 2.2 1.1
1H3 8.5 2.83
2Не3 7.7 2.57
2Не4 28.3 7.075
8Li6 32 5.33
8Li7 39.2 5.6
4Ве9 58.2 6.47
4Ве11 76.2 6.93
7N14 104.7 7.48
6C12 92.2 7.68
8O16 127.6 7.975
13Al27 225.0 8.33
26Fe56 492.2 8.79
86Ru222 1708.2 7.69
92U235 1783.8 7.59
94Pu239 1806.9 7.56

Селектируемыми признаками при идентификации атомных элементов могут быть:

- энергетический спектр частиц и квантов при распаде ядра;

- соотношение между спектрами мгновенного и запаздывающего излучения;

- форма сигнала регистрируемого спектра, т.е. амплитудные соотношения между спектральными линиями.

В заявленном измерителе для измерения формы спектра сигналов откликов атомных элементов используют последовательное пропорциональное спектросмещение (фиг.2):

- энергетического спектра сигнала отклика в спектр ультрафиолетового излучения посредством сборки (1) сцинтилляционных пластин из твердого раствора антрацена (С14Н10) в полистироле, дающих максимальный световой выход. Поскольку интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, то данная сборка используется в качестве первичного спектрометра;

- спектра ультрафиолетового излучения в спектр видимого диапазона посредством оптического волокна-файбера 2.

Поверхность файберов покрыта тонким слоем вещества люмогена, преобразующего УФИ в видимый диапазон. Типы файберов (конверторов), преобразующих УФИ (13-350 нм) в видимый диапазон (405-610 нм) (см. http://www.metrolux.de/contenido/cms/uv-and-ir-converter/)

Спектр видимого диапазона посредством светособирающей линзы 4 преобразуют в световой пучок диаметром порядка 5 мм для ввода в перестраиваемый акустооптический фильтр 5 типа (промышленные разработки) СВ FOTF (Aurora), LAOTF (Bellcore) с полосой пропускания на уровне 3 дБ (1…1,6 нм) [см., например, Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения. - М: Компания Сайрус Системс, 1999, с.180-182].

Акустооптический фильтр представляет собой кристалл (пьезоэлектрик), в котором под воздействием СВЧ-генератора накачки в диапазоне 60-70 МГц наблюдается анизотропная дифракция Брегга, т.е. формируется дифракционная решетка с изменяющимся показателем преломления, благодаря чему достигается перестраиваемая фильтрация.

Линейную девиацию частоты СВЧ-генераторов метрового диапазона волн (60…70 МГц) осуществляют подключением реактивного элемента (типа реактивной лампы) по схеме [см. "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1968. - с.50, рис.12-78, Реактивная лампа]. Девиация частоты достигается подачей дополнительного смещения на сетку в виде пилообразного напряжения развертки.

Генератор пилообразного напряжения развертки с возможностью подачи на его вход синхронизирующих импульсов [см. там же "Справочник по радиоэлектронике", с.238, рис.15-52].

Динамика перестройки акустооптического фильтра накачкой его СВЧ-генератором с девиацией частоты пилообразными импульсами развертки иллюстрируется диаграммами фиг.3.

Другие элементы устройства выполнены на серийных промышленных разработках: лавинный фотодиод типа APD (чувствительность ~10-15 относительно темнового тока), аналого-цифровой преобразователь, микросборка П-267, буферное запоминающее устройство, микросборка ЛА-20 [см. Якубовский Б. и др. цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990].

Поскольку точность синхронизации элементов устройства должна составлять нс, телекоммуникационная программа реализована на специальном быстродействующем компьютере типа семейства компьютеров Ultra компании Sun Microsystems (НИИ системных исследований РАН) [см. http://www.solariscentral.org].

Реализации зарегистрированных спектров сигналов откликов в виде амплитудно-частотных характеристик видимого диапазона иллюстрируется графиками фиг.4.

Эффективность измерителя определяется достоверностью идентификации атомного элемента. Имеется возможность набора статистических данных по формам АЧХ-спектров для создания базы эталонных сигналов. При наличии эталонной базы достоверную идентификацию атомных элементов проводят по амплитуде, длительности и форме, что превосходит известные аналоги.

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, содержащий сборку сцинтилляционных пластин, преобразующих поток радиации отклика в спектр ультрафиолетового излучения, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, спектросмещающие ультрафиолетовое излучение в спектр видимого диапазона, торец жгута файберов, преобразователь светового потока в электрический сигнал, отличающийся тем, что к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая диаметр светового пучка для ввода его в акустооптический фильтр, генератор накачки фильтра с подключенными к нему реактивным элементом и генератором пилообразного напряжения для линейного изменения частоты настройки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов генератора пилообразного напряжения путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оксидным сцинтилляционным монокристаллам, предназначенным для приборов рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) и обследования просвечиванием излучением.
Изобретение относится к радиометрии жидких, газообразных, твердых сред, а также к дозиметрии ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к пластмассовым сцинтилляторам (ПС), и может быть использован в ядерной физике, физике высоких энергий, в радиационной химии, в атомной промышленности, радиационной медицине.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. .

Детектор // 2373555
Изобретение относится к технике регистрации излучения при радиационном мониторинге для поиска источников, определения направления на него (пеленга). .

Изобретение относится к области детектирования источников нейтронного и гамма-излучения, особо источников нейтронов на фоне гамма-излучения, и предназначено для дозиметрической и таможенной практики, для систем радиационного мониторинга территорий и акваторий, для обнаружения и идентификации делящихся материалов, для обнаружения и идентификации радиологических источников.

Изобретение относится к дозиметрической технике, связанной с регистрацией бета-излучения и электронных пучков, и пригодно для создания сцинтилляционных датчиков, используемых в комплексах и системах радиационного мониторинга подконтрольных объектов и территорий, зон радиационного загрязнения, а также для целей персональной дозиметрии в рамках сцинтилляционного метода.

Изобретение относится к фотоприемным устройствам для черенковских РИЧ-детекторов (RICH-Ring Imaging Cherenkov), регистрирующих кольцевое черенковское излучение, и может быть использовано в экспериментах в области физики элементарных частиц высоких энергий (ионов, каонов и протонов) для определения их зарядов и скоростей в широком диапазоне их импульсов и для их идентификации

Изобретение относится к рентгенотехнике, в частности к матричным рентгеновским приемникам (МРП), и предназначено для использования в медицинских сканирующих рентгеновских аппаратах с высоким пространственным разрешением

Изобретение относится к резонансным поглотителям ядерного гамма-излучения для устройств на эффекте Мессбауэра и предназначено для селективной регистрации гамма-излучения, испускаемого мессбауэровским изотопом 57Fe с помощью сцинтилляционного детектора вторичной эмиссии конверсионных Оже-электронов

Изобретение относится к материалам и устройствам, используемым при регистрации ионизирующего излучения

Изобретение относится к устройству для обнаружения излучения и системе для обнаружения излучения, в частности к устройству для обнаружения излучения и системе для обнаружения излучения, применяемым для рентгенографии и т.п

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для неразрушающего контроля материалов, изделий и предметов радиографическими методами, а также для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами
Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, конкретно к двуслойным волоконным сцинтилляторам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе сцинтилляционных волоконных детекторов для радиационного экологического мониторинга территории, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за ядерным топливом и изделиями из делящихся материалов, а также для создания антитеррористических комплексов радиационного контроля

Изобретение относится к области детектирования гамма- и нейтронного излучения

Изобретение относится к области электронного приборостроения, а более конкретно - к конструкции детекторов электронов, и может найти преимущественное использование в электронных микроскопах

Изобретение относится к рентгенотехнике и медицинской диагностике, возможно использование изобретения в гамма-дефектоскопии различных изделий и трубопроводных систем
Наверх