Способ гамма-локации

 

Сущность изобретения: способ позволяет осуществить сканирование объектов малого и среднего атомного номера l ≅70 с высокой комптоновской контрастностью по электронной плотности /комптоновская гамма-локация - КГЛ/ и сканирование объектов с локальным химическим анализом содержания тяжелых / ≥70/ элементов /рентгенфлюоресцентная гамма-локация - РФГЛ/ при линейном разрешении 0,1-10 см. При КГЛ отраженный сигнал - результат комптоновского рассеяния квантов двухфотонной электрон-позитронной аннигиляции. При РФГЛ отраженный сигнал обусловлен фотопоглощением кванта двухфотонной аннигиляции и испусканием рентгеновского фотона, принадлежащего переходам с индексами линий α₁, α₂, β₂, β₁.. Исследуемый объект облучают узким позитронным пучком, сформированным позитронным инжектором, что создает локальную зону аннигиляции позитронов. Активность излучателя позитронов оценивается из условия предельной загрузки регистрирующего устройства по скорости счета при апертурном угле детектора 30-120 ^oС. Бесколлиматорные локационные свойства системы возникают в результате коррелированного разлета квантов двухфотонной аннигиляции, один из которых /опорный/ направляется непосредственно в детектор, а другой /зондирующий/ направляется в объект. В результате суммирования энергии отраженного кванта-сигнала с энергией опорного кванта сигнал переносится в энергетическую область с малым фоном. Другими /менее интенсивными/ являются отраженные сигналы релеевского рассеяния и ядерного гамма-резонансного рассеяния. В процессе сканирования объекта в памяти ЭВМ накапливают точечно-растровую информацию, которую затем обрабатывают математически и визуализуют. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гамма-локации и может быть использовано при неразрушающем контроле качества ответственных деталей машиностроительной, реакторной, авиационной и космической техники, а также и в медицинской гамма-диагностике.

Известен способ радиолокации [1] основанный на том, что сначала в направлении изучаемого объекта излучают зондирующий электромагнитный сигнал, а затем регистрируют сигнал, отраженный объектом, и делают заключение относительно удаленности объекта и его свойствах посредством анализа параметров отраженного сигнала.

Детальное распространение известной схемы радиолокации, отвечающей принципам классической электродинамики Максвелла [2] на область предельно коротких электромагнитных волн гамма-диапазона, отвечающую принципам квантовой электродинамики, встречает трудности также принципиального характера: квантовая электродинамика запрещает излучение отдельного электромагнитного фотона с фиксированной энергией в определенный, наперед заданный, момент времени или в определенном, наперед заданном, направлении.

Однако в квантовой электродинамике известны такие элементарные акты распада возбужденных состояний квантовой системы, при которых одновременно рождаются два фотона с достаточно сильной взаимной пространственной корреляцией, обусловленной законами сохранения энергии, импульса и четности состояний [3] Простейшими примерами таких процессов являются аннигиляция позитрона и спонтанный распад π^о-мезона, когда рожденная пара одновременных фотонов разлетается в системе центра масс под взаимным углом 180^о. Использование подобных жестко коррелированных пар фотонов позволяет реализовать способ гамма-дефектоскопии, обладающий достаточно глубокой аналогией с радиолокационным способом.

В качестве прототипа предлагаемого способа гамма-локации рассмотрен известный способ комптоновской гамма-дефектоскопии, основанный на том, что в направлении изучаемого объекта сначала излучают зондирующий ядерный гамма-квант, а затем измеряют вероятность появления комптоновски рассеянного (отраженного) фотона и анализируют его энергетические параметры.

В этом способе не регистрируют момент излучения зондирующего гамма-кванта, а направление его вылета контролируют лишь с помощью коллиматорного канала, что допускает накопление актов регистрации фоновых процессов рассеяния при дефектоскопических измерениях.

Технической задачей изобретения является уменьшение вероятности накопления актов регистрации фоновых процессов рассеяния при дефектоскопических измерениях.

Поставленная задача достигается за счет отбора регистрируемых актов рассеяния по направлению вылета и по времени излучения зондирующих гамма-квантов.

Дополнительной задачей изобретения является исключение зависимости скорости счета отраженного сигнала от вариации активности позитронного излучателя (за счет, например, ядерного распада позитронно-активного радионуклида).

Указанная задача достигается тем, что в известном способе комптоновской гамма-дефектоскопии, включающем облучение объекта зондирующими гамма-квантами и регистрацию отраженных фотонов, для облучения объекта используют один из пары гамма-квантов, образовавшихся при электрон-позитронной аннигиляции, второй гамма-квант пары детектируют с формированием опорного сигнала, сигнал от рассеянных на объекте гамма-квантов суммируют с опорным сигналом, причем спектрометрическую регистрацию суммарного сигнала осуществляют в энергетическом интервале с минимальным уровнем фона и по полученным результатам судят о дефектности объекта.

Указанная задача достигается также тем, что дополнительно измеряют отношение скорости счета рассеянных объектом гамма-квантов и скорости счета опорного сигнала и корректируют результаты измерений с учетом измеренного отношения.

На чертеже дана принципиальная схема осуществления предлагаемого способа. Схема имеет: 1 излучатель коррелированных пар позитрон-аннигиляционных фотонов; 2 детектор опорных фотонов; 3 детектор рассеянных (отраженных) фотонов; 4 усилитель с ограничителем-формирователем; 5 триггер с регулируемой выходной амплитудой сигнала; 6 предусилитель и формирователь сигналов детектора 3; 7 линейный сумматор амплитуд; 8 амплитудный анализатор суммарного сигнала; 9 счетчик импульсов опорного сигнала; 10 объект исследования.

Осуществление предлагаемого способа гамма-локации предполагает выполнение следующих приемов и операций.

1. Для изготовления излучателя 1 одновременных фотонных пар используют позитронно-активный, например, реакторный радионуклид ⁶⁴Cu или циклотронный радионуклид ²²Na и другие.

Крупинку такого радионуклида с линейными размерами ≈1 мм укрепляют (например, с помощью клея) между двумя алюминиевыми подложками, толщину которых d выбирают d R(Al), где R(Al) длина свободного пробега энергичных позитронов радионуклида в алюминии, практически R(Al) 0,25-0,30 мм. Верхний предел активности радионуклида ≈10⁹ Бк ограничен допустимой скоростью счета аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ в детекторах 2 и 3, которая может составлять до ≈10⁵ имп/с. Нижний предел активности радионуклида ≈10⁴ Бк обусловлен либо требованиями по экспрессности анализа, либо периодом полураспада используемого радионуклида. В излучателе 1 рождаются, тормозятся и аннигилируются позитроны с испусканием одновременных коррелированных пар гамма-квантов с энергией ≈511 кэВ.

2. Излучатель 1 одновременных фотонных пар располагают между детектором 3 отраженных фотонов и объектом 10, а детектор 3 располагают между излучателем 1 и детектором опорных фотонов 2.

3. Выбирают угол зондирования Ω_з путем регулировки угла регистрации опорных фотонов Ω_о в детекторе 2, что достигают посредством изменения расстояния между излучателем 1 и детектором 2. Уменьшение этого расстояния при одновременном увеличении диаметра детектора 2 позволяет увеличивать угол зондирования до максимального значения≈π радиан. Минимальное значение угла зондирования ≈10^-2 радиан определяется процессами угловой корреляции аннигиляционных фотонов в твердом теле.

4. Регистрируют опорные фотоны в детекторе 2, сигнал с детектора 2 формируют и усиливают с эффективным коэффициентом усиления К₂. Сигнал с детектора 3, регистрирующего рассеянные фотоны, также формируют и усиливают с коэффициентом усиления К₁.

5. Суммируют формированные и усиленные амплитуды одновременных сигналов, поступающих от детекторов 2 и 3 и подают суммарный сигнал на амплитудный анализатор 8. Суммирование амплитуд выполняют с помощью известного устройства линейного сумматора 5, так что вместо сигнала, соответствующего энергии рассеянного фотона ћωʹ в амплитудном анализаторе 8 регистрируют сигнал, соответствующий энергии ћω ћω= ћωʹ+ћω_o+П (1) где ћω_o энергия опорного фотона, ћω_o ≈511 кэВ; П регулируемое смещение ћω относительно несуммируемой части фона: П 1+ (u₁+u₂) (2) а U₁, U₂ пороговые смещения в усилительных трактах детекторов: U₂ в тракте детектора 2 и U₁ в тракте детектора 3. Изменяя отношение коэффициентов усиления К₁ и К₂ согласно (1) и (2) выбирают энергетический интервал регистрации суммарного числа с наименьшим фоном.

6. С помощью амплитудного анализатора 8 выполняют регистрацию числа n импульсов в пике суммарного сигнала, а с помощью счетчика 6 выполняют регистрацию числа опорных фотонов N_o (за одинаковый промежуток времени) и затем вычисляют отношение n/N_o, которое не зависит от вариации активности излучателя.

Пространственно-временная селекция актов рассеяния, реализуемая предлагаемым способом, позволяет увеличить отношение сигнал/фон примерно на порядок по сравнению с тем, что достигают известным способом.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ГАММА-ЛОКАЦИИ, заключающийся в облучении исследуемого объекта γ -квантами и спектрометрической регистрации обратно рассеянных g -квантов, отличающийся тем, что, с целью повышения отношения сигнал фон, для облучения объекта используют один из пары g -квантов, образованных при электронно-позитронной аннигиляции, при этом другой g -квант используют в качестве опорного сигнала, сигнал рассеянных на объекте g- -квантов суммируют с опорным сигналом, спектрометрическую регистрацию суммарного сигнала осуществляют в энергетическом интервале, имеющем минимальный фон, и по полученным результатам судят о дефектности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью исключения зависимости величины сигнала от вариации числа позитронов источника со временем, дополнительно измеряют отношение скорости счета рассеянных объектом γ -квантов к скорости счета опорного сигнала и корректируют на него результаты измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1