Детектор проникающих излучений

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма лучей. Сущность изобретения: в детекторе используют люминесцентный оптически прозрачный экран-преобразователь в форме пластины, на поверхности которой расположен конденсор. Система регистрации излучения содержит отклоняющее зеркало и последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и ПЗС-матрицу. Экран преобразователь выполнен протяженным вдоль распространения излучения. Пластина может быть выполнена из люминесцирующего полистирола или из материала, чувствительного к рентгеновскому и гамма излучениям, или из люминесцирующего полистирола с добавкой бора. Конденсор может быть выполнен трехлинзовым. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.

Известна портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001, содержащая источник γ-излучения, детектор рассеянного γ-излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного γ-излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей (Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001. Инструкция по эксплуатации, 1998 г.).

Источник γ-излучения имеет большую мощность, что создает опасность для персонала. Система не может быть использована при рабочих температурах ниже 0°С.

Известно устройство для обнаружения контрабанды, содержащее полиэнергетический источник γ-излучения, спектрометрический детектор γ-излучения, усилитель сигналов детектора, амплитудно-цифровой преобразователь, контроллер и компаратор интенсивности импульсов в избранных энергетических областях (селектор импульсов стриженного γ-излучения) и дисплей (Патент Российской Федерации №2161299, МПК G 01 N 23/08, 2000 г.).

Детектор, реагируя на наличие за экраном присоединенной массы (контрабанды), не позволяет судить о характере скрытого материала.

Интенсивность регистрируемого при этом отраженного γ-излучения зависит не только от плотности материала закладки, но и от геометрических размеров скрытой закладки.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон, электронно-оптическая система содержит фотоприемники (Патент США №4942302, МПК G 01 Т 3/06, 1990 г.).

Указанное устройство имеет низкую эффективность, т.к. не обеспечивает двухкоординатную регистрацию протонов отдачи с пробегом меньше поперечного сечения одиночного волокна; а также имеет ограничения по количеству волокон в слое и числу слоев, накладываемые числом используемых фотоприемников. Устройство имеет ограниченное пространственное разрешение, определяемое сечением волокна.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон.

Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон, а электронно-оптическая система выполнена в виде позиционно-чувствительных фотоприемников, оптически сопряженных с соответствующими гранями волоконного параллелепипеда. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна.

Электронно-оптическая система содержит локальные подсистемы, в которые введены полупрозрачные пластины для ответвления оптической мощности на быстродействующие приемники (Патент Российской Федерации №2119178, МПК G 01 Т 3/06, Пономарев-Степной Н.Н., Тарабрин Ю.А., Яковлев Г.В., Бюл. №26, 1998 г. Прототип).

Прототип сложен для реализации, имеет сравнительно низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации только быстрых нейтронов.

В портативной установке для неразрушающего контроля материалов и изделий используются источники радиационных излучений, характеризующиеся малым размером излучающей области. Причем плотность излучения источника уменьшается с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния до источника. При размере исследуемого объекта, сравнимом с расстоянием до источника радиационного излучения, объект облучается коническим пучком. В этом случае указанные аналоги и прототип не обеспечивают пространственное разрешение для периферийных областей объекта.

Известные детекторы должны располагаться на достаточно больших от источника расстояниях, при которых пучок может считаться параллельным. При этом уменьшается производительность контроля.

Для более полного использования излучения, сокращения времени контроля, уменьшения наведенной в объекте активности исследуемый объект и детектор излучения располагают на возможно меньшем расстоянии, при этом объект облучают коническим пучком излучения.

Для обеспечения высокой эффективности регистрации излучения в детекторе необходимо использовать протяженные вдоль пучка экраны-преобразователи.

При использовании известных детекторов повышение эффективности за счет толщины экрана-преобразователя ограничено происходящей потерей пространственного разрешения: чем больше эффективность, тем меньше пространственное разрешение.

Для максимально возможной эффективности регистрации быстрых 14 МэВ нейтронов толщина экрана должна составлять 10-12 см. При расстоянии между источником нейтронов и экраном, равном 0,5 м, для детектора с экраном толщиной 10 см и диаметром 20 см пространственное разрешение на периферии детектора ухудшится до значения ˜1,8 см.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма лучей.

Технический результат достигается тем, что в детекторе проникающих излучений, содержащем люминесцентный модуль и оптическую систему регистрации выходящего из него излучения и фотоприемники, модуль выполнен в виде люминесцентного оптически прозрачного экрана-преобразователя в форме пластины, на поверхности которой расположен конденсор, а оптическая система регистрации излучения содержит отклоняющее зеркало и последовательно расположенные входной объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и фотоприемники, выполненные в виде ПЗС-матрицы.

Люминесцентный оптически прозрачный экран-преобразователь выполнен в виде пластины из люминесцирующего полистирола или в виде пластины из материала, чувствительного к рентгеновскому и гама излучениям, или в виде пластины из люминесцирующего полистирола с добавкой бора. Конденсор выполнен трехлинзовым.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где представлена оптическая схема радиографического детектора для конического нейтронного пучка: 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - экран-преобразователь, 3 - конденсор, 4 - отклоняющее зеркало, 5 - входной объектив, 6 - усилитель изображения, 7 - масштабирующий объектив, 8 - ПЗС-матрица, 9 - диафрагма.

Работа детектора основана на преобразовании в экране-преобразователе 2 ионизирующего излучения в оптическое. В случае конического пучка трехлинзовый конденсор 3 и диафрагма 9 обеспечивают прохождение через оптическую систему только тех световых лучей, которые в экране-преобразователе 2 распространяются в направлении лучей, испускаемых источником быстрых нейтронов 1.

Конденсор 3 рассчитан в приближении точечного источника ионизирующего излучения для заданного расстояния между источником быстрых нейтронов 1 и экраном-преобразователем 2, а также между экраном-преобразователем 2 и входным объективом 5 с учетом коэффициента преломления материала экрана-преобразователя 2 и спектра его излучения, а также коэффициента преломления материала конденсора 3. Конденсор 3 предназначен для сохранения пространственного разрешения в случае конического пучка нейтронного излучения.

При облучении экрана-преобразователя 2 пучком быстрых нейтронов происходит преобразование нейтронного излучения в световое излучение. При этом геометрические продолжения всех световых треков сходятся в точку, совпадающую с положением источника нейтронов 1. (Этот факт используют для обнаружения источника.)

При контроле источник быстрых нейтронов 1 расположен в точке, лежащей на нормали к центру люминесцентного экрана-преобразователя 2. Исследуемый образец (на чертеже не показан) устанавливают между источником 1 и экраном-преобразователем 2. В экране-преобразователе 2 проникающие виды излучения преобразуются в оптическое излучение. Экран-преобразователь 2 выполнен из люминесцирующего полистирола. При регистрации тепловых нейтронов - из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма излучений он выполняется из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др. Эффективность регистрации обусловлена протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.

Быстрые нейтроны в экране-преобразователе 2, выполненном из полистирола, образуют протоны отдачи, которые возбуждают оптическое свечение в его теле (в пластине).

Для регистрации тепловых нейтронов экран-преобразователь 2 изготовлен из светосоставов: ⁶LiF ZnS:Ag, или Gd₂O₂S:Tb, или ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb, или ¹⁰BZnS:Ag.

В случае использования светосостава ⁶LiF ZnS:Ag ядро изотопа лития захватывает тепловой нейтрон и излучает тритон и альфа частицы, которые и вызывают сцинтилляционное свечение сульфида цинка.

В случае использования светосостава Gd₂O₂S:Tb или ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb ядро ¹⁵⁷Gd захватывает нейтрон и излучает конверсионный электрон, который возбуждает сцинтилляционное свечение в светосоставе. Для регистрации рентгеновских и гамма квантов использован светосостав Gd₂O₂S:Tb. В таком светосоставе под действием рентгеновских и гамма квантов возникают заряженные частицы: электроны и позитроны, которые и вызывают сцинтилляционное свечение Gd₂O₂S:Tb. Возникшее свечение передается с экрана-преобразователя 2 и конденсора 3 отклоняющим зеркалом 4 на входной объектив 5, а затем с его помощью - на усилитель изображения 6 и далее с помощью масштабирующего объектива 7 на ПЗС-матрицу 8.

При облучении экрана-преобразователя 2 пучком ионизирующего излучения происходит преобразование этого излучения в световое излучение. Каждый луч излучения, прошедший через образец, создает в экране-преобразователе 2 за время экспозиции прямолинейный трек, точки которого излучают сферически изотропный световой поток. При этом геометрические продолжения всех световых треков сходятся в точку, совпадающую с положением источника нейтронов 1. Для экрана-преобразователя 2 конечной толщины проекционная оптика в отсутствии конденсора 3 изображает трек в форме штриха, длина которого пропорциональна, с одной стороны, тангенсу внеосевого угла, под которым трек виден из центра объектива, а с другой стороны, толщине экрана-преобразователя 2, что приводит к потере пространственного разрешения в периферийных зонах приемника. Чтобы этого не происходило в описываемом приемнике после экрана-преобразователя 2 и установлен линзовый конденсор 3. Его назначение - построить в центре входной апертуры (зрачка) входного объектива 5 изображение точки, в которой пересекаются экранные треки. Входная апертура при этом играет роль диафрагмы 9, препятствуя прохождению световых лучей, распространяющихся в направлениях, не проходящих через источник быстрых нейтронов 1.

Кроме того, входная апертура определяет количество света, проходящего через входной объектив 5. В случае идеального точечного источника быстрых нейтронов 1 каждый трек будет отображен на ПЗС-матрице 8 в виде пятна достаточно малого размера и размером, пропорциональным светосиле входного объектива 5.

В случае источника быстрых нейтронов 1 конденсор 3 рассчитан, исходя из того, что расстояние от люминесцентного экрана-преобразователя 2 до нейтронного источника 1 составляет 500 мм, а люминесцентный экран-преобразователь 2 диаметром 200 мм и толщиной 100 мм изготовлен из люминесцирующего полистирола. Полная длина детектора составляет 1170 мм.

1. Детектор проникающих излучений, содержащий люминесцентный модуль и оптическую систему регистрации выходящего из него излучения, фотоприемники, отличающийся тем, что люминесцентный модуль выполнен в виде люминесцентного оптически прозрачного экрана-преобразователя, протяженного вдоль распространения излучения, в форме пластины, на поверхности которой расположен конденсор, а оптическая система регистрации излучения содержит отклоняющее зеркало и последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив и фотоприемники, выполненные в виде ПЗС-матрицы.

2. Детектор проникающих излучений по п.1, отличающийся тем, что люминесцентный оптически прозрачный экран-преобразователь выполнен в виде пластины из люминесцирующего полистирола.

3. Детектор проникающих излучений по п.1, отличающийся тем, что люминесцентный оптически прозрачный экран-преобразователь выполнен в виде пластины из материала, чувствительного к рентгеновскому и гамма-излучениям.

4. Детектор проникающих излучений по п.1 или 2, отличающийся тем, что люминесцентный оптически прозрачный экран-преобразователь выполнен в виде пластины из люминесцирующего полистирола с добавкой бора.

5. Детектор проникающих излучений по п.1, отличающийся тем, что конденсор выполнен трехлинзовым.