Экран-преобразователь

Изобретение относится к конструктивным элементам систем неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами, а именно к преобразователям проникающих излучений с каналами транспортировки излучения и преобразования излучений. Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения, одновременная регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма-лучей. Сущность: в экране-преобразователе каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, составленных из отрезков волокон, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра, каналы скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды. Волокна соединены последовательно или параллельно. Меньший торец преобразователя может быть покрыт дополнительным слоем люминофора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к конструктивным узлам и элементам систем неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами, а именно к преобразователям проникающих излучений с каналами транспортировки излучения и преобразования излучений. Может быть использовано в производственных и полевых условиях.

Известен волоконный модуль (экран), собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях для регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон.

Патент США №4942302, МПК G 01 Т 3/06, 1990 г.

Устройство имеет ограниченное пространственное разрешение, определяемое сечением волокна.

Известен волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях для регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон. Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна.

Патент Российской Федерации №2119178, МПК G 01 Т 3/06, Бюл. №26, 1998 г. Модуль имеет сравнительно низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации только быстрых нейтронов, в частности одиночных.

Известен комбинированный преобразователь, содержащий чехол-оболочку, набор нескольких пар длинных нитеподобных волоконно-оптических сцинтилляторов - световодов, одна из нитей выполнена на основе водородсодержащего материала, а другая - на основе неорганического вещества. Патент Российской Федерации №2190240, МПК G 01 Т 1/20, Бюл. №27, 2002 г.

Датчик позволяет регистрировать лишь быстрые и тепловые нейтроны.

Известен преобразователь проникающего излучения, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с капиллярными каналами транспортировки излучения, расходящимися в сторону средств регистрации, стенки каналов имеют форму боковой поверхности либо усеченных конуса или пирамиды, либо цилиндра, либо призмы. Больший торец конуса или пирамиды содержит средство, чувствительное к излучению.

Патент Российской Федерации №2239822, МПК G 21 К 1/06, Бюл. №31, 2004 г. Прототип.

Прототип сложен в изготовлении, позволяет формировать расходящийся поток излучения лишь раздельным по составу; рентгеновский поток, поток нейтральных частиц, гамма-квантов, ультрафиолетового или инфракрасного излучения, видимый свет, поток заряженных частиц, например ионов. По существу является коллиматором, а средство, чувствительное излучению, превращает его в экран-преобразователь.

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

Технический результат достигается тем, что в экране-преобразователе, выполненном в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, или цилиндра, или призмы, каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, составленных из отрезков волокон, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра, каналы скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды.

Отрезки волокон, выполненные из материалов со смещенными относительно друг друга спектрами люминесценции, соединены последовательно.

Отрезки волокон, выполненные из материалов со смещенными относительно друг друга спектрами люминесценции, соединены параллельно.

Меньший торец преобразователя покрыт дополнительным слоем люминофора.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3.

На фиг.1 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.

На фиг.2 схематично представлен продольный разрез комбинированного люминесцентного преобразователя 5, где 7 - волоконно-оптические каналы транспортировки, составленные из отрезков волокон, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра, 8 - слой люминофора. Отрезки волокон канала 7 соединены последовательно из отрезков волокон, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра (9, 10, 11).

На фиг.3 схематично представлен продольный разрез одиночного отрезка волокна 7 комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5, где 9, 10, 11 - сечение отрезков волокон, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра при параллельном соединении отрезков волокон.

Для того чтобы комбинированный люминесцентный экран-преобразователь 5 был максимально эффективен, осевые линии отрезков волокон канала 7 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 отрезков волокон канала 7 в комбинированном люминесцентном экране-преобразователе составит 90%. При выходном сечении волокна 1×1 мм² входное сечение волокна должно составлять 0,8×0,8 мм².

Прямоугольное сечение (около 1×1 мм) отрезков волокон канала 7 также обеспечивает высокую (примерно 90%) плотность их упаковки в комбинированном люминесцентном экране-преобразователе 5, она составит 90%. В случае конических волокон плотность их упаковки в комбинированном люминесцентном экране-преобразователе 5 ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации.

Отрезки волокон канала 7 комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5 для детектора нейтронов изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку. Макетный образец имеет экран сечением 150×150 мм.

Протяженность экрана вдоль пучка излучения составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в комбинированном люминесцентном экране-преобразователе 5 в результате облучения, переносится по отрезкам волокон канала 7 на поверхность комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5, обращенную в сторону отклоняющего зеркала 6, которым передается на проекционный объектив 4 со светофильтром, а затем с его помощью - на усилитель изображения 3 и далее с помощью масштабирующего объектива 2 на ПЗС-матрицу 1.

Комбинированный люминесцентный экран-преобразователь 5 работает следующим образом.

При облучении комбинированного преобразователя 5 потоком быстрых нейтронов и/или рентгеновского излучения происходит преобразование нейтронного и/или рентгеновского излучения в световое излучение. Комбиниованный люминесцентный экран-преобразователь 5 из-за различного состава отрезков волокон 9, 10, 11 каналов транспортировки 7 позволяет преобразовывать разные падающие виды излучения в самостоятельные световые потоки различного спектрального состава.

Для регистрации быстрых нейтронов отрезки волокон выполнены из люминесцирующего полистирола. При регистрации тепловых нейтронов - из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма-излучений волокна выполняют из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др.

Для обеспечения плотной упаковки волокон в экране-преобразователе сечение волокон 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 отрезков волокон должно составлять около 1×1 мм².

Отрезки волокон могут иметь 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 волокон.

Комбинированный люминесцентный экран-преобразователь 5 выполнен с входным сечением 150×150 мм и выходным сечением около 200×200 мм. Протяженность комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5 составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в комбинированном люминесцентном экране-преобразователе 5 в результате облучения быстрыми нейтронами, переносится по отрезкам волокон на поверхность, обращенную в сторону проекционного объектива 4, а затем с его помощью - на усилитель изображения 3 и далее с помощью масштабирующего объектива 2 на ПЗС-матрицу 1.

Для регистрации быстрых нейтронов обычно используют полимерные материалы, 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.

На меньшем торце комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5 расположен дополнительный слой люминофора 8, изготовленый из известных люминесцентных материалов, чувствительных к различным видам излучения.

Для регистрации тепловых нейтронов слой люминофора 8 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 в дополнительном слое люминофора 8 по отрезкам волокон передается к большему торцу комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5, обращенного в сторону проекционного объектива 4, а затем с его помощью - на усилитель изображения 3 и далее с помощью масштабирующего объектива 2 на ПЗС-матрицу 1.

После прохождения комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5 самостоятельные световые потоки различного спектрального состава разделяют отклоняющим зеркалом 6 и направляют на входные проекционные объективы 4 с соответствующими светофильтрами по раздельным каналам каждого вида излучения.

Затем световой поток попадает на усилитель изображения 3 и далее с помощью масштабирующего объектива 2 на ПЗС-матрицу 1. Изображения формируются в различных областях оптического спектра.

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

Дополнительный слой 8, по существу, является дополнительным каналом транспортировки собственного вида излучения и позволяет при необходимости сократить продольные размеры преобразователя 5. Отрезки волокон, выполненные из материалов со смещенными относительно друг друга спектрами люминесценции, могут быть соединены последовательно или параллельно. Отрезки волокон, выполненные из материалов со смещенными относительно друг друга спектрами люминесценции, соединены параллельно. В первом случае комбинированный люминесцентный экран-преобразователь 5 будет протяженным и его размер будет определяться суммой составных отрезков. Во втором случае комбинированный люминесцентный экран-преобразователь 5 будет по длине в три раза меньше.

Детектор на основе комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5 эффективен для осуществления радиографии как в коническом пучке быстрых нейтронов, так и в случае любого комбинированного излучения.

1. Экран-преобразователь, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы, отличающийся тем, что каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, составленных из отрезков волокон, соединенных последовательно или параллельно, и, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра, каналы скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды.

2. Экран-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что отрезки волокон выполнены из материалов со смещенными относительно друг друга спектрами люминесценции.

3. Экран-преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что меньший торец преобразователя покрыт слоем люминофора.