Сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений

Изобретение относится к ускорительной технике. Сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений содержит вертикально установленную оптическую плиту, к которой, параллельно ей, прикреплена вращательная поворотная платформа, на которой закреплен линейный транслятор. Сканирующий элемент в виде сцинтилляционной пластинки с помощью зажима закреплен на держателе, установленном на линейном трансляторе с возможностью его перемещения вдоль продольной оси транслятора так, что сцинтилляционная пластинка расположена параллельно поверхности линейного транслятора и перпендикулярно его продольной оси. Один конец сцинтилляционной пластинки оптоволокном соединен с кремниевым ФЭУ, подключенным к счетчику электрических импульсов. Двигатели вращательной поворотной платформы и линейного транслятора, а также счетчик электрических импульсов подключены к ЭВМ. Технический результат – измерение профилей и размеров пучков ионизирующих излучений под различными углами в поперечной плоскости относительно центральной оси пучка ионизирующего излучения с повышенным быстродействием. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерений профилей и размеров пучков ионизирующих излучений под различными углами в поперечной плоскости.

Известно устройство для определения профилей пучков ионизирующих излучений [RU 182076 U1, МПК G01T 1/16, опубл. 07.08.2018], принятое за прототип, содержащее держатель, сканирующие элементы, зажимы, средство для перемещения и детектор. Сканирующие элементы выполнены в виде множества сканирующих проволочек из разных материалов, закрепленных на держателе с помощью зажимов. Средством для перемещения является линейный транслятор, перемещающий устройство в поперечном к оси пучка направлении. Детектор, измеряющий спектры характеристического рентгеновского излучения, распространяющегося изотропно, является энергодисперсионным.

Недостатком этого устройства является использование в качестве сканирующих элементов рентгенофлюоресцентных проволочек, выполненных из различных материалов и генерирующих характеристическое излучение, интенсивность которого пропорциональна интенсивности измеряемого потока заряженных или нейтральных частиц. Поскольку сечение фотопоглощения нейтральных частиц, например, рентгеновского или гамма излучения, значительно ниже, чем для заряженных частиц, чувствительность в измерениях потоков нейтральных частиц также значительно ниже чувствительности измерения потоков заряженных частиц. Кроме того, это устройство позволяет измерять профили пучков ионизирующих излучений только под одним углом - вдоль направления перемещения линейного транслятора, а используемый для измерения интенсивности характеристического излучения энергодисперсионный детектор значительно уступает по быстродействию обычному счетчику излучения, что вызывает необходимость использования отдельной спектрометрической системы для разделения сигналов от квантов излучения различных энергий.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание устройства для измерений профилей и размеров пучков ионизирующих излучений.

Предложенный сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений, так же как в прототипе, содержит сканирующий элемент, который с помощью зажима закреплен на держателе, установленном на линейном трансляторе.

В отличие от прототипа сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений содержит вертикально установленную оптическую плиту, к которой, параллельно ей, прикреплена вращательная поворотная платформа, на которой закреплен линейный транслятор. Сканирующий элемент в виде сцинтилляционной пластинки с помощью зажима закреплен на держателе. Держатель установлен на линейном трансляторе с возможностью его перемещения вдоль продольной оси транслятора так, что сцинтилляционная пластинка расположена параллельно поверхности линейного транслятора и перпендикулярно его продольной оси. Один конец сцинтилляционной пластинки оптоволокном соединен с кремниевым фотоэлектронным умножителем, подключенным к счетчику электрических импульсов. Двигатели вращательной поворотной платформы и линейного транслятора, а также счетчик электрических импульсов подключены к ЭВМ.

Сцинтилляционная пластинка может быть выполнена из сцинтиллирующего органического материала на основе поливинилтолуола.

Использование в качестве сканирующего элемента тонкой сцинтилляционной пластинки позволяет регистрировать поток ионизирующих излучений как для заряженных (электроны, протоны), так и нейтральных (рентгеновское, гамма излучение) частиц. Кремниевый фотоэлектронный умножитель позволяет получить сигнал со временем нарастания фронта импульса около 100 пс и временем восстановления менее 1 нс.

Линейное и вращательное перемещение сцинтилляционной пластинки с помощью линейного транслятора и вращательной поворотной платформы позволяют измерять профили пучка в поперечной плоскости относительно центральной оси пучка ионизирующего излучения под разными углами, что особенно важно при измерении несимметричных пучков ионизирующего излучения, обладающих сложной поперечной формой.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять профили и размеры пучков ионизирующих излучений под различными углами в поперечной плоскости относительно центральной оси пучка ионизирующего излучения с повышенным быстродействием.

На фиг. 1 представлен сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений.

На фиг. 2 показаны профили пучка рентгеновского излучения от рентгеновского аппарата РАП 160-5, измеренные заявляемым устройством, где а) - при горизонтальной ориентации продольной оси линейного транслятора, когда угол α=0°; б) - при вертикальной ориентации продольной оси линейного транслятора, когда α=90°, а также приведены соответствующие профили, измеренные дозиметрической пленкой Gafchromic ЕВТ3.

Сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений (фиг. 1) содержит вертикально расположенную оптическую плиту 1, на которой закреплена вращательная поворотная платформа 2, на которой закреплен линейный транслятор 3, в котором при помощи держателя с зажимом (не показан на фиг. 1) закреплена сцинтилляционная пластинка 4. Держатель установлен на линейном трансляторе 3 с возможностью перемещения вдоль его продольной оси так, что сцинтилляционная пластинка 4 расположена параллельно поверхности линейного транслятора 3 и перпендикулярно его продольной оси. Сцинтилляционная пластинка 4 выполнена из сцинтиллирующего органического материала на основе поливинилтолуола шириной 2 мм, толщиной 6 мм, длиной 150 мм. Один конец сцинтилляционной пластинки 4 при помощи оптического геля соединен с концом оптоволокна 5, другой конец которого соединен с кремниевым фотоэлектронным умножителем 6 (ФЭУ), который подключен к счетчику электрических импульсов 7 (С).

Двигатели вращательной поворотной платформы 2 и линейного транслятора 3, а также счетчик (С) 7 подсоединены к ЭВМ (не показано на фиг. 1).

В качестве оптической плиты 1 может быть использована алюминиевая монтажная плита 1В-А фирмы Standa [http://www.standa.lt/products/catalog/optical_tables?item=642]. Вращательная поворотная платформа 2 - моторизованная поворотная платформа 8MR190-2 фирмы Standa [http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=244]. В качестве линейного транслятора 3 использован моторизированный линейный транслятор 8МТ175 фирмы Standa [http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=60]. Сцинтилляционная пластинка 4 - полоска пластмассового сцинтиллятора ВС-408 фирмы Saint-Gobain Crystals [https://www.crystals.saint-gobain.com/products/bc-408-bc-412-bc-416]. Оптоволокно 5 представляет собой оптоволокно VHM7000 Series Fibers фирмы AFL [https://www.aflglobal.com/Products/Specialty-Optical-Fiber.aspx]. В качестве кремниевого фотоэлектронного умножителя 6 (ФЭУ) можно использовать кремниевый фотоэлектронный умножитель серии J-Series фирмы SensL [http://sensl.com/downloads/ds/DS-MicroJseries.pdfl. В качестве счетчика электрических импульсов 7 (С) можно использован счетный модуль SPC-150N TCSPC фирмы Becker & Hickl GmbH [https://www.becker-hickl.com/products/category/tcspc-modules/].

Устройство работает следующим образом. По сигналу с ЭВМ с помощью вращательной поворотной платформы 2 поворачивают линейный транслятор 3 с установленным на нем держателем со сцинтилляционной пластинкой 4 под заданным углом а в плоскости, поперечной центральной оси пучка ионизирующего излучения, под которым необходимо измерить профиль и размер пучка ионизирующего излучения. По сигналу с ЭВМ линейный транслятор 3 начинает линейное перемещение держателя с сцинтилляционной пластинкой 4 вдоль оси линейного транслятора 3. Сцинтилляционная пластинка 4, двигаясь в заданном направлении, пересекает пучок ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение, попадая в материал сцинтилляционной пластинки 4, генерирует в нем световые кванты, причем интенсивность световых квантов пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения, пересекающего сцинтилляционную пластинку 4 в этот момент времени. Часть световых квантов, сгенерированных в сцинтилляционной пластинке 4, захватывается оптоволокном 5 и подводится к кремниевому фотоэлектронному умножителю 6 (ФЭУ), который преобразует их в импульсы напряжения. Импульсы напряжения подсчитывают счетчиком электрических импульсов 7 (С) в заданном временном интервале, например, с периодичностью в 1 секунду. Информацию о количестве импульсов, сгенерированных за заданный временной интервал, которое пропорционально количеству квантов ионизирующего излучения, прошедших через сцинтилляционную пластинку 4 в этот временной интервал, передают в ЭВМ, обеспечивающую запись данных. При этом разрешение измерения профиля пучка ионизирующего излучения определяется заданным временным интервалом и скоростью линейного перемещения держателя со сцинтилляционной пластинкой 4 по линейному транслятору 3, а размер пучка определяют путем обработки зарегистрированного пика генерации светового излучения, в котором интенсивность зарегистрированных импульсов отлична от фоновой. После измерения профиля линейный транслятор 3 возвращают в исходное положение. При необходимости вращательная поворотная платформа 2 может повернуть линейный транслятор 3 с закрепленной сцинтилляционной пластинкой 4 под другим углом α, после чего может быть измерен профиль пучка ионизирующего излучения при этом значении угла α. При необходимости, измерения проводят многократно под разными углами.

Как видно из фиг. 2, профили, измеренные предложенным устройством, имеют незначительное отличие от эталонных, измеренных дозиметрической пленкой Gafchromic ЕВТ3. Горизонтальный и вертикальный размеры пучка рентгеновского излучения определили как полную ширину соответствующего профиля на половине высоты, и они составили 20 мм, как по горизонтали, так и по вертикали.

1. Сцинтилляционный сканер профилей пучков ионизирующих излучений, содержащий сканирующий элемент, который с помощью зажима закреплен на держателе, установленном на линейном трансляторе, отличающийся тем, что к вертикально установленной оптической плите, параллельно ей, прикреплена вращательная поворотная платформа, на которой закреплен линейный транслятор, на котором установлен держатель с возможностью его перемещения вдоль продольной оси транслятора так, что сканирующий элемент в виде сцинтилляционной пластинки расположен параллельно поверхности линейного транслятора и перпендикулярно его продольной оси, один конец сцинтилляционной пластинки оптоволокном соединен с кремниевым фотоэлектронным умножителем, подключенным к счетчику электрических импульсов, при этом двигатели вращательной поворотной платформы и линейного транслятора, а также счетчик электрических импульсов подключены к ЭВМ.

2. Сканер по п. 1, отличающийся тем, что сцинтилляционная пластинка выполнена из сцинтиллирующего органического материала на основе поливинилтолуола.