Устройство для определения местоположения источника гамма- излучения

 

Использование: дозиметрия гамма-излучения, а именно поиск и определение местоположения точечного либо распределенного источника гамма-излучения, также разделение измеряемой интенсивности излучения на фоновую составляющую и составляющую, связанную с гамма-излучением источника. Сущность изобретения: устройство содержит два идентичных сцинтилляционных детектора с предварительно выровненными счетными эффективностями регистрации, разделенных защитным экраном в виде параллелепипеда, обеспечивающим эффективное поглощение гамма-излучения в выбранном энергетическом диапазоне, форма и размеры которого, а также расстояние между детекторами выбраны исходя из заданной диаграммы направленности регистрации устройства. Устройство снабжено измерителем разности скоростей счета сцинтилляционных детекторов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, более конкретно к области дозиметрии гамма-излучения, и может использоваться для поиска и определения местоположения точечного и распределенного источников гамма-излучения в условиях загрязненной местности при одновременном определении интенсивности источника гамма-излучения и интенсивности фонового гамма-излучения.

Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является устройство, состоящее из детектора гамма-излучения, окруженного защитой из материала большого атомного веса (как правило, свинец) с узкой щелью для коллимации гамма-излучения. Местоположение источника гамма-излучения определяется по увеличению скорости счета при совпадении оси коллимирующей щели с направлением на источник в процессе сканирования устройством исследуемого участка местности [1] В настоящее время существует большое количество устройств подобного типа [2-4] которые отличаются либо формой защиты, либо взаимным расположением детектора гамма-излучения, защиты и коллимирующей щели. Общим для всех является наличие массивной защиты, с помощью которой формируется анизотропия полярной направленности регистрации гамма-излучения за счет ослабления защитной плотности потока гамма-излучения из всей области пространства за исключением области, ограниченной телесным углом коллимирующей щели. Сходство этих аналогов с заявляемым изобретением заключается в использовании стандартных блоков детектирования и преобразования информации, а также защитных экранов для формирования полярной анизотропии направленности регистрации.

Большой вес защиты таких устройств исключает возможность использования их в качестве портативных приборов оперативной дозиметрической разведки; отсутствие инвариантности по отношению к изменению уровня окружающего фона затрудняет использование этих устройств по назначению при интенсивности гамма-излучений, сравнимой с интенсивностью фона; кроме того, отсутствует возможность разделения зарегистрированной интенсивности на фоновую составляющую и составляющую, связанную с источником гамма-излучения. Анизотропия направленности регистрации таких устройств формируется только по азимуту и отсутствует по углу места, что исключает возможность определения одним устройством направления на источник и расстояния.

В качестве прототипа заявляемому изобретению выбрано устройство для определения направления на пункт, от которого исходит излучение [5] Устройство состоит из сферического свинцового экрана, в центре которого имеется полость, где размещен детектор излучения. В экране сделана щель для коллимации гамма-излучения. Экран закреплен на шарнирном механизме, имеющем две опорные оси: одна направлена через центр экрана параллельно плоскости среза коллимационной щели, а вторая направлена через центр экрана и перпендикулярна первой опорной оси. Шарнирный механизм имеет привод, который может устанавливать произвольный угол наклона независимо от положения каждой из опорных осей. В состав устройства входят также измеритель скорости счета детектора гамма-излучения и анализатор, определяющий направление на источник гамма-излучения и его интенсивность.

Существенными признаками, общими для выбранного прототипа и заявляемого устройства, являются использование стандартных блоков детектирования, регистрации и преобразования информации, а также наличие поглощающих гамма-излучение экранов для формирования анизотропии полярной направленности регистрации гамма-излучения. Последний признак является основным как для прототипа, так и для заявляемого устройства.

Однако указанные существенные признаки не позволяют получить нужный технический результат. Причины следующие.

1. Наблюдается относительно низкая чувствительность, поскольку для улучшения углового разрешения коллимирующую щель делают как можно уже, что ведет к неэффективному использованию рабочей поверхности детектора гамма-излучения. Размеры коллимирующей щели имеют чисто практическое ограничение, связанное с конкурентными требованиями к проведению измерений. Кроме того, уменьшение размеров щели влечет за собой модификацию устройства, поскольку при этом возрастает влияние инструментальной погрешности.

При ориентации плоскости среза коллимирующей щели на источник гамма-излучения скорость счета устройства определяется следующим образом: N₁= (A/4πR²)S_эфK_cε+(ΔΩ/4π)N_ф, (1) где A активность источника, R расстояние до источника, ε физическая эффективность регистрации детектора гамма-излучения, K_c коэффициент счета: K_c 1 при b = β_и±Δβ, при всех других βK_c= 0 K_c 0, β полярный угол, b_и угловое положение источника, Δβ угловые размеры коллимирующей щели,
N_ф фоновая составляющая скорости счета детектора,
DW телесный угол, стягивающий коллимирующую щель,
S_эф площадь проекции детектора на плоскость, перпендикулярную потоку гамма-излучения, которая ограничена размерами коллимирующей щели.

Как видно из (1), степень уменьшения чувствительности определяется отношением S_эф/S_o, где S_o полная площадь детектора. Второй член в (1) представляет собой принципиально неустранимую регистрируемую часть фона. При радиусе сферической защиты 5-6 см и ширине коллимирующей щели 1-2 см DW/4π ≈ 10-15%.

2. Наличие принципиально неустранимой части фона (2-й член в (1)) приводит к погрешностям в определении интенсивности излучения от источника. Если при N_и > N_ф (N_и скорость счета от источника гамма-излучения, первый член в (1)) влияние этой погрешности несущественно, то при N_и ≈ N_ф по абсолютной величине эта погрешность может достигать значения 20-30% а при N_и ≅ N_ф значений 50-60%
3. Большой вес сферического защитного экрана (10-15 кг) исключает возможность использовать подобные устройства в качестве портативных переносных приборов оперативной дозиметрической разведки.

4. Низкая производительность при использовании прототипа по назначению обусловлена статическим характером анизотропии полярной направленности регистрации, поскольку устройство "просматривает" область пространства, ограниченную телесным углом, стягивающим коллимирующую щель. Поэтому при поиске источника гамма-излучения необходимо последовательно просматривать устройством всю область пространства в пределах полярного угла 2π. Информацию об отсутствии источника можно получить также после просмотра всей области пространства, что увеличивает время проведения дозиметрической разведки.

В основу изобретения положена задача увеличения чувствительности, повышения точности определения местоположения источника гамма-излучения, одновременного определения уровня окружающего фона и характеристик поля излучения локализованного источника гамма-излучения, уменьшения габаритов и веса устройства, повышения производительности.

Технический результат достигается тем, что формирование анизотропии направленности регистрации осуществляется следующим образом. Два идентичных сцинтилляционных детектора (с предварительно выровненными счетными эффективностями регистрации) разделены поглощающим экраном в форме параллелепипеда высотой, равной высоте детекторов, шириной, равной диаметру детекторов, и длиной, равной удвоенному диаметру детекторов. Оба блока детектирования и защитный экран собраны в одном корпусе. Вес устройства не превышает 1-1,5 кг. Детекторы ориентированы боковой поверхностью на источник гамма-излучения. Информация о местоположении источника гамма-излучения выделяется по разности скоростей счета двух детекторов, которая чувствительна к взаимной ориентации оси устройства и направления на источник и инвариантна по отношению к изменению уровня окружающего фона. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что вместо размещения одного детектора в массивном сферическом экране с коллимирующей щелью два детектора разделены небольшим по весу экраном, что обуславливает применение разностного накопительного счетчика для выделения информации о местоположении источника гамма-излучения.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Скорость счета первого детектора, который расположен перед защитным экраном, определяется формулой (1) при К 1 для всех значений b и DW/4π = 1. Пренебрегая краевыми эффектами и полагая, что длина защитного экрана достаточна для эффективного поглощения излучения в выбранном энергетическом диапазоне, скорость счета второго детектора, который расположен за поглощающим экраном, можно записать следующим образом:

Обозначения те же, что и в (1), β угол отклонения оси детектирующей системы от направления на источник. Первый член в квадратных скобках определяет вклад от части детектора, "открытой" для гамма-излучения, второй член от части детектора, "скрытой" за поглощающим экраном; d_эф(β) - эффективная толщина поглощающего экрана. Разность эффективностей ε₂₁(β) и ε₂₂(β) определяется различными длинами прохождения гамма-излучения в разных частях второго детектора.

Разность скоростей счета первого и второго детекторов имеет следующий вид:

Обозначения те же, что и в (1). Как видно из (3), эта разность инвариантна по отношению к уровню окружающего фона. N(β) максимально при β=0°, т. е. в направлении на источник, и равно 0 при β = π/2..

Таким образом, разностный сигнал двух детекторов, разделенных защитой небольшого размера и веса, зависит от ориентации оси: детектор 1 защита - детектор 2 по отношению к направлению на источник гамма-излучения. Кроме того, когда β = 0°,, т.е. ось устройства ориентирована на источник гамма-излучения при условии эффективного поглощения γ-излучения в защите вдоль оси устройства (т.е. при exp[-μd_eff(O)] ≈ 0,), N = (A_εS_o)/4πR², a N₂ N_ф (см. (2) и (3)). Это позволяет сделать раздельную оценку уровня окружающего фона и определить характеристики поля гамма-излучения локализованного источника.

Влияние размеров детекторов и экрана и расстояния между ними на диаграмму направленности может быть продемонстрировано на следующем упрощенном примере. Детекторы в виде кубиков со стороной d разнесены на расстояние D. Идеально поглощающий тонкий экран расположен непосредственно за передним детектором, его высота а, ширина d. Нормализованная разность скоростей счета в двух детекторах в зависимости от угла β (в плоскости a D) при R > D будет

Отсюда следует, что диаграмма направленности тем уже, чем дальше отнесены детекторы друг от друга (чем больше D) и чем меньше размер экрана (учитывая экранирующее действие переднего детектора, смысл имеет a ≥ d). Это означает возможность формирования различных диаграмм направленности (плоской типа "лепесток", узкой типа "луч" и т.п.). Реальная диаграмма направленности отличается от рассчитанной для этого упрощенного случая наличием краевых эффектов при поглощении γ-лучей в детекторах и экране, что приводит к некоторому размазыванию диаграммы направленности. Конечное поглощение в экране приводит к умножению DN(β) на коэффициент (1-exp(-μd_эфф))<1. Величина этого коэффициента зависит от энергии γ-лучей. Зависимость же формы диаграммы направленности от энергии g-лучей незначительна (краевые эффекты), поэтому один экран может быть использован для поиска источников с любой энергией g-лучей.

Рабочее положение устройства детекторы ориентированы боковой поверхностью на источник гамма-излучения, открытые торцы сцинтилляторов - вниз, торцы сцинтилляторов, оптически связанные с фотоэлектронными умножителями, вверх. Как было показано выше, в этом положении устройство обладает анизотропией направленности регистрации, что позволяет определять направление (азимут) на источник. Дополнительные возможности устройства связаны с наличием анизотропии направленности регистрации по углу места, т.е. в плоскости, проходящей через ось устройства и перпендикулярной земной поверхности. В этой плоскости поток гамма-излучения падает на боковую поверхность и на открытый торец первого сцинтиллятора и на открытый торец второго сцинтиллятора, который расположен за экраном. При фиксации азимута, т.е. β = 0°, в приближении параллельного потока гамма-излучения скорость счета первого детектора можно записать следующим образом:

где r радиус детекторов, h высота детекторов. Первый член в квадратных скобках определяет вклад от части потока гамма-излучения, который падает на открытый конец сцинтиллятора, второй от части потока, который падает на боковую поверхность, α угол отклонения от направления на источник по углу места. Разность эффективностей e₁₁(α) и ε₁₂(α) определяется различными длинами прохождения гамма-излучения в разных частях сцинтиллятора.

Скорость счета второго детектора, который расположен за защитой, определяется следующим образом:

где d_эф эффективная толщина поглощающего экрана. Разность скоростей счета первого и второго детекторов равна:

Эта разность также инвариантна по отношению к уровню окружающего фона. При α = 0° N(α) = 0, при α = π/2 N(α) максимально. Следовательно, устройство обладает анизотропией направленности регистрации по углу места, что можно использовать для определения расстояния до источника при фиксированном удалении устройства от земной поверхности.

Таким образом, проведенный качественный анализ показывает возможность формирования в устройстве помимо анизотропии направленности регистрации по азимуту анизотропию направленности регистрации по углу места.

Сравнение заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило установить, что использование разностных накопительных счетчиков для выделения информации о местоположении источника гамма-излучения по разности скоростей счета двух детекторов имеет место в устройствах, в которых детекторы пространственно разнесены на определенное базовое расстояние, т.е. в области пространства с различной плотностью потока гамма-излучения от источника, что определяет различие в скоростях счета детекторов. В заявляемом устройстве оба детектора находятся в области пространства с одинаковой плотностью потока гамма-излучения и разность скоростей счета определяется ослаблением плотности потока гамма-излучения защитным экраном. Следовательно, известные устройства "пассивны", т.е. в них используется функциональная зависимость характеристик поля излучения гамма-источника от расстояния, а заявляемое устройство "активно", так как в нем осуществляется изменение характеристик поля излучения источника гамма-излучения.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 показана взаимная ориентация оси устройства и направления на источник гамма-излучения: а вид сверху, б вид сбоку, в иллюстрация к формуле; на фиг.3 представлена экспериментальная анизотропия полярной направленности регистрации; на фиг.4 - анизотропия направленности по углу места.

Предлагаемое устройство содержит два сцинтилляционных блока детектирования 1, 2, с предварительно выровненными эффективностями регистрации, между которыми размещен защитный экран 3. Оба блока детектирования и защитный экран собраны в одном корпусе. В этом же корпусе размещены два усилителя-формирователя 4, 5. Назначение усилителей-формирователей усиление сигналов с блоков детектирования и нормирование их по амплитуде и длительности. Высокое напряжение на блок детектирования подается со специализированного блока высоковольтного питания 6, который рассчитан на одновременную работу с несколькими детекторами (до 5 шт.). В блоке предусмотрена возможность независимой регулировки высокого напряжения по каждому каналу, что позволяет выравнивать коэффициенты усиления фотоэлектронных умножителей. Арифметический блок содержит селекторы 1-го и 2-го каналов 7 и 8 и 20-разрядный двоичный реверсивный счетчик 9. Назначение селекторов исключить неопределенное состояние реверсивного счетчика, связанное с одновременным приходом импульсов на его суммирующий и вычитающий входы.

Устройство работает следующим образом. Импульсы с блоков детектирования 1 и 2, соответствующие регистрации гамма-квантов, поступают на входы соответствующих усилителей-формирователей 4 и 5. Длительность выходных импульсов усилителей-формирователей на прямом и инверсном выходах < 50 нс. Сигналы с прямых выходов поступают на селекторы "своего" канала, а импульсы с инверсных выходов на селекторы "чужого" канала. Оба селектора открыты на время, равное длительности разрешающего импульса τ₁. Величина временного интервала τ₁ определяется необходимым алгоритмом обработки данных. Перед приходом следующего разрешающего импульса показания реверсивного счетчика сбрасываются в "0" импульсом установки нуля τ₀ и цикл повторяется. Сигналы с выхода селектора 7 поступают на суммарный вход, а с выхода селектора 8 на вычитающий вход 20-разрядного реверсивного счетчика 9, с выходных шин которого по окончании разрешающего сигнала τ₁ считывается результат счета, который представляет собой разность числа гамма-квантов, зарегистрированных 1-м и 2-м детекторами. Эта разность будет зафиксирована на выходах счетчика в прямом коде, если показания детектора 1 превышают показания детектора 2, т. е. источник гамма-излучения располагается в передней полусфере. Если источник находится в задней полусфере, то показания детектора 2 будут превышать показания детектора 1. В этом случае на выходе реверсивного счетчика будет зафиксирован инверсный код этой разности, о чем сигнализирует свечение светодиода 11, подключенного через инвертор 10 к выходу двадцатого (старшего) разряда счетчика. Таким образом, заявляемое устройство позволяет обнаружить присутствие источника гамма-излучения в поле зрения устройства без сканирования исследуемого участка местности. При вращении устройства по азимуту разность скоростей счета (3) будет изменяться и достигнет максимума при ориентации оси устройства в направлении на источник.

Формула изобретения

1. Устройство для определения местоположения источника гамма-излучения, имеющее анизотропию регистрации по азимуту, содержащее детектор гамма-излучения и защитный экран, обеспечивающий эффективное поглощение гамма-излучения в выбранном энергетическом диапазоне, отличающееся тем, что оно снабжено вторым детектором гамма-излучения, идентичным первому, причем в качестве указанных детекторов использованы сцинтилляционные детекторы, а защитный экран расположен между ними, причем форма и размеры экрана и детекторов и расстояние между ними выбраны исходя из заданной диаграммы направленности регистрации устройства, причем устройство снабжено измерителем разности скоростей счета указанных детекторов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитный экран выполнен в виде параллелепипеда шириной, равной диаметру детекторов, высотой больше высоты детекторов, при параллельном размещении детекторов и экрана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4