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 пространственного разрешения, расширение функциональных возможностей детектора, одновременная регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма лучей. Сущность изобретения: в детекторе проникающих излучений волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов, волокна покрыты слоем люминофора и выполнены в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды. Содержит не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива и ПЗС-матрицы. 2 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 анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей. Исследуемый образец помещается между источником и детектором.

Патент Великобритании №2088050, G 01 N 23/08, 1998 г.

Недостатком изобретения является низкая стабильность измерений.

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 отраженного 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. сцинтиллирующие оптические волокна выполнены с квадратным сечением, окружены алюминиевыми прокладками.

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 частности одиночных.

Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения, расширение функциональных возможностей детектора, одновременная регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма лучей.

Технический результат достигается тем, что в детекторе проникающих излучений, содержащем волоконный модуль, собранный из сцинтиллирующих оптических волокон и оптическую систему регистрации излучения, выходящего из торцов этих волокон, волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов, а оптическая система содержит отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива, с которого световой поток попадает на ПЗС-матрицу.

Сцинтиллирующие волокна экрана-преобразователя покрыты слоем люминофора. Сцинтиллирующие волокна выполнены в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, на котором представлена оптическая схема регистрации проникающих излучений для конусного пучка, где: 1 - ПЗС-матрица, 2 - масштабирующий объектив, 3 - усилитель изображения, 4 - проекционный объектив со светофильтром, 5 - комбинированный люминесцентный экран-преобразователь, 6 - отклоняющее зеркало.

Детектор излучения эффективен для осуществления радиографии как в коническом пучке быстрых нейтронов, так и в случае комбинированного излучения. При облучении комбинированного экрана-преобразователя 2 потоком быстрых нейтронов и/или рентгеновского излучения происходит преобразование нейтронного и/или рентгеновского излучения в световое излучение.

Работа устройства основана на использовании комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5, преобразовании разных падающих видов излучения в самостоятельные световые потоки различного спектрального состава, их разделении отклоняющим зеркалом 6. Отклоняющим зеркалом 6 разделяют и направляют световые потоки на проекционные объективы 4 с соответствующими светофильтрами по каналам каждого вида излучения. Затем световой поток попадает на усилитель изображения 3 и далее с помощью масштабирующего объектива 2 на ПЗС-матрицу 1. Принцип работы детектора излучений основан на том, что изображения формируются в различных областях оптического спектра с помощью комбинированного композитного люминесцентного экрана-преобразователя 5.

Для обеспечения плотной упаковки волокон в экране-преобразователе 5 сечение волокна должно быть квадратным. Величина сечения определяется с учетом размера экрана (150×150), количества элементов ПЗС-матрицы 1 (560×768), а также пространственного разрешения детектора (примерно 1,5 толщины волокна). Для указанных размеров сечение волокна должно составлять около 1×1 мм².

Прямоугольное сечение волокон обеспечивает достаточно высокую (примерно, 90%) плотность их упаковки в экране-преобразователе 5. В случае конических волокон плотность их упаковки ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации. Волокна экрана-преобразователя 5 изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку. Светоотражающая оболочка может быть выполнена в виде тонкого слоя серебристой краски. Наличие оболочки обеспечивает полное внутреннее отражение световой вспышки при ее распространении вдоль волокна.

Макетный образец детектора нейтронов имеет экран-преобразователь 5 с входным сечением 150×150 мм и выходным сечением около 200×200 мм. Протяженность экрана-преобразователя 5 составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 5 в результате облучения быстрыми нейтронами, переносится по волокнам на поверхность, обращенную в сторону проекционного объектива 5, а затем с его помощью - на усилитель изображения 6 и далее с помощью масштабирующего объектива 7 на ПЗС-матрицу 8.

Для регистрации быстрых нейтронов обычно используют полимерные оптические волокна, в частности из люминесцирующего полистирола.

При регистрации тепловых нейтронов - из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма излучений оптические волокна выполняют из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: германат висмута, иттриевый гранат и др.

В нашем случае волокна из люминесцирующего полистирола покрыты люминофорами известных светосоставов для соответствующих видов излучений.

Для регистрации тепловых нейтронов использованы отрезки сцинтиллирующих волокон со светосоставами: 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.

Для того чтобы экран-преобразователь 5 был максимально эффективен, осевые линии волокон должны пересекаться в одной точке, а именно в центре, где будет расположен источник излучения, а каждое волокно должно быть в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды. В последнем случае плотность упаковки волокон в экране-преобразователе 5 составит 90%. При выходном сечении волокна 1×1 мм² входное сечение волокна должно составлять 0,8×0,8 мм².

Избирательность регистрации того или иного изображения обеспечивается соответствующими светофильтрами, установленными на проекционные объективы 4 в каждом канале.

1. Детектор проникающих излучений, содержащий волоконный модуль, собранный из сцинтиллирующих оптических волокон, оптическую систему регистрации излучения, выходящего из торцов этих волокон, отличающийся тем, что волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов, а оптическая система содержит отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива, с которого световой поток попадает на ПЗС-матрицу.

2. Детектор проникающих излучений по п.1, отличающийся тем, что сцинтиллирующие волокна экрана-преобразователя покрыты слоем люминофора.

3. Детектор проникающих излучений по п.1 или 2, отличающийся тем, что сцинтиллирующие волокна экрана-преобразователя выполнены в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды.