Способ определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения мощных импульсных источников и система для его осуществления

Предложенное изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения с энергией до 40 МэВ мощности импульсных источников. Данное изобретение направлено на повышение информативности процедуры определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения за счет получения информации о ряде характеристик излучения в рамках одного эксперимента. Предложенная система регистрации тормозного или гамма-излучения для определения его характеристик включает в себя детектор с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, систему, снабженную следующим за источником излучения коллиматором с отверстием, а установленный в зоне за коллиматором указанный детектор дополнен по меньшей мере одним добавочным детектором с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, при этом каждый из упомянутых детекторов подобран таким образом, что их различные спектральные характеристики представляются в общем линейном виде с двумя отличающимися коэффициентами. Описанное устройство реализует соответствующий способ регистрации тормозного или гамма-излучения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения с энергией до 40 МэВ мощных импульсных источников, далее просто излучения, в частности (терминология характеристик излучения соответствует [1. Методические указания. Внедрение и применение ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин" в области ионизирующих излучений. РД 50-454-84. М.: Издательство стандартов, 1984]):

- плотности потока энергии квантов излучения (далее по тексту, плотности потока энергии);

- плотности потока квантов излучения (далее по тексту, плотности потока квантов);

- средней энергии квантов излучения (далее по тексту, средней энергии квантов).

Излучение исследуемого типа, в частности тормозное излучение (ТИ) высокой интенсивности с энергией квантов до 40 МэВ, формируется при торможении на мишени мощного электронного потока, генерируемого электронными ускорителями типа линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 [2. Пунин В.Т., Савченко В.А., Завьялов Н.В., Гордеев B.C., Герасимов А.И., Смирнов И.Г., Воинов М.А., Кошелев А.С., Кувшинов М.И. Мощные линейные индукционные ускорители электронов и облучательные комплексы на их основе для радиационных исследований. ВАНТ. Серия ФРВРЭА, 2000, №3-4, С.95-99]. ТИ, формируемое с участием ускорителей, используется в облучательных и исследовательских экспериментах.

Тормозное или гамма-излучение мощных импульсных источников характеризуется спектрально-энергетическим, пространственно-угловым и временным распределением. Важным параметром излучения является средняя энергия квантов, характеризующая его энергетический спектральный состав, а также интегральное воздействие излучения на исследуемые объекты. Временная зависимость средней энергии определяется как отношение плотности потока энергии излучения в данной точке к плотности потока квантов:

где Е - текущая энергия квантов, ϕ(Е)- энергетическая плотность потока квантов излучения [1], ϕ_w(t) - плотность потока энергии, ϕ(t)- плотность потока квантов.

При регистрации излучения высокой интенсивности применяемые детекторы не различают отдельные кванты, а регистрируют импульс излучения в целом.

Как частный случай, в левой части формулы (1) могут фигурировать средняя энергия за импульс, а в правой части - флюенс энергии излучения Ф_w и флюенс квантов излучения Ф. Флюенс энергии излучения и флюенс квантов излучения являются интегралами по времени от плотности потока энергии и плотности потока квантов, соответственно [1].

Способ регистрации характеристик излучения должен обеспечивать временное разрешение несколько наносекунд и чувствительность в максимально широком диапазоне поглощенных доз вплоть до нижнего предела в доли рад.

Известен калориметрический способ определения энергетических характеристик (локальной энергии и флюенса энергии) электронного излучения [3. Москалев В.А., Сергеев Г.И. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат, 1991, С.31], основанный на поглощении энергии электронов, заключающийся в регистрации связанного с этим теплового эффекта.

Известен детектор типа калориметр [3, С.32] для измерения локальной энергии и флюенса энергии электронного излучения. Измерение энергии калориметром основано на полном поглощении энергии излучения и повышении температуры рабочего тела детектора. Изменение температуры детектора ΔT измеряется термопарой и связывается через теплоемкость и коэффициенты поглощения с энергией излучения. При делении поглощенной энергии в детекторе ΔЕ на площадь детектора S определяется флюенс энергии Ф_w. Известен детектор, измеряющий флюенс (или локальное число) электронов. Измерение флюенса электронов основано на полном поглощении их в устройстве типа цилиндра Фарадея и измерении поглощенного заряда путем регистрации тока через сопротивление [3, С.11]. При совместном использовании калориметра и цилиндра Фарадея возможно определение средней энергии электронов.

Недостатком описанных способа и детекторов является их неприменимость для измерения характеристик излучения квантов с энергиями несколько десятков МэВ, что связано с большими пробегами квантов (например, ˜ 20 см в бетоне) и неполным поглощением их в детекторах. Кроме того, кванты не имеют заряда и флюенс квантов невозможно измерить детектором типа цилиндра Фарадея.

Известен калориметрический способ (прототип) [4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Энергоатомиздат, 1988] определения характеристик тормозного или гамма-излучения импульсных источников, состоящий в регистрации излучения посредством детектирования отклика с детектора, характеризующегося линейной спектральной характеристикой. Откликом является изменение температуры детектора. Измерение этой величины используют при определении локальной энергии излучения (или флюенса энергии) различного спектрального состава.

Существует детектор (прототип) типа калориметр для регистрации гамма-излучения, описанный в [4, С.228]. Чувствительным элементом данного детектора с откликом, пропорциональным поглощенной энергии, является поглотитель, подвешенный на подвесках и помещенный в термостат. Излучение, проходящее через диафрагму, поглощается в поглотителе и нагревает его. Локальную энергию излучения (или флюенс энергии) различного спектрального состава определяют, измеряя повышение температуры поглотителя.

Недостаток этого детектора - калориметра состоит в необходимости существенного увеличения его чувствительного элемента (в несколько длин пробегов квантов) для обеспечения условий полного поглощения излучения при измерении флюенса энергии излучения с энергией квантов ˜ 40 МэВ. Однако увеличение габаритов чувствительного элемента детектора приводит к возникновению градиента температуры по глубине детектора и неоднозначности измерения температуры.

Другие недостатки калориметра состоят в том, что нагрев рабочего тела является инерционным процессом, вследствие чего калориметры интегрально измеряют поток излучения и не способны измерять временную форму импульса. Калориметры с тепловым измерением дозы имеют низкую чувствительность. Повышение температуры тела при поглощении дозы ТИ в 1 рад составляет 2×10^-6 градусов. Такие изменения температуры практически не регистрируются.

Недостаток способа состоит в его сложности при определении флюенса квантов или их средней энергии, связанной с необходимостью привлечения дополнительной информации о спектрах излучения, полученной с использованием других методов.

Задача состоит в повышении информативности способа за счет получения в одном эксперименте комплексной информации о характеристиках излучения, включая плотность потока энергии, плотность потока квантов и среднюю энергию квантов, спектральный состав которых меняется в разных импульсах.

Техническим результатом является упрощение процесса определения искомых характеристик излучения (плотности потока энергии, плотности потока квантов и средней энергии квантов) за счет использования информации, полученной в рамках данного способа в одном эксперименте. Это делает способ «самоценным», в том числе в опытах с разным спектральным составом излучения. При этом способ реализуется в устройстве, позволяющем производить требуемые измерения с помощью детекторов с компактными габаритами за счет сохранения габаритов чувствительного элемента.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа определения характеристик тормозного или гамма-излучения импульсных источников, состоящего в регистрации излучения детектором с линейной спектральной характеристикой (СХ), в предлагаемом способе подбирают детектор, характеризующийся линейной СХ, описываемой выражением в виде суперпозиции двух составляющих η₁ (E)=a₁+b₁E, где Е - энергия излучения, a₁, b₁ - постоянные коэффициенты, определяемые в результате расчета СХ в рабочем энергетическом диапазоне и градуировки чувствительности детекторов на источнике излучения с известными параметрами,

- при регистрации производят одновременное с вышеназванным детектирование излучения по меньшей мере одним добавочным детектором, подобранным таким образом, чтобы его линейная СХ, представляемая также в виде суперпозиции двух составляющих η_i(E)=а_i+b_iE, где Е - энергия излучения, i=2...n - порядковый номер дополнительного детектора, а_i, b_i - постоянные коэффициенты, определяемые аналогично коэффициентам первого детектора, отличалась своими коэффициентами от СХ первого и других детекторов, причем при детектировании в качестве отклика с каждого из детекторов измеряют токи I_i,

- используют измеренные значения токов при решении векторного уравнения

где I - вектор откликов с n детекторов,

i=1, 2, 3,...n,

М - матрица чувствительностей детекторов, составляемая из коэффициентов СХ детекторов,

G - вектор характеристик поля измеряемого излучения, определяемый как:

где ϕ, ϕ_w - соответственно плотность потока квантов и плотность потока энергии;

- определяют характеристики излучения по компонентам вектора откликов как результат решения векторного уравнения.

Технический результат в устройстве достигается тем, что в отличие от известной системы регистрации тормозного или гамма-излучения для определения его характеристик, включающей детектор с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, предлагаемая система снабжена следующим за источником излучения коллиматором с отверстием, а установленный в зоне за коллиматором вышеназванный детектор дополнен по меньшей мере одним добавочным детектором с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, при этом спектральные характеристики детекторов различны.

Кроме того, в системе вдоль оси отверстия коллиматора за ним может быть размещен конвертор излучения, а различие спектральных характеристик детекторов обеспечено их взаимным положением и положением относительно введенного в систему конвертора.

В системе детектор может быть установлен напротив отверстия коллиматора, при этом конвертор образован чувствительным элементом детектора и размещенным перед ним слоем материала с толщиной, обеспечивающей поглощение энергии в чувствительном элементе в условиях, близких к электронному равновесию, а направление установки каждого из добавочных детекторов и следующего за коллиматором детектора образует угол с осью отверстия коллиматора, обеспечивающий регистрацию излучения с конвертора.

В системе конвертором может служить слой материала, направление размещения каждого из детекторов и конвертора образует угол с осью отверстия коллиматора, обеспечивающий регистрацию излучения с конвертора.

Также система может отличаться тем, что добавочный детектор снабжен фильтром. Физические принципы, заложенные в основу предлагаемого способа таковы. В прототипе при его работе как идеального калориметра имеет место полное поглощение падающей на него энергии излучения во всем рабочем диапазоне энергий квантов. Если рассматривать кванты с энергией Е, то

где ΔЕ - поглощенная энергия в детекторе, Е - энергия квантов, Ф - флюенс квантов, S -площадь детектора-калориметра.

Создаваемый калориметром отклик А в условных единицах определяется поглощенной энергией ΔЕ. Определим чувствительность η калориметра как отношение отклика детектора к флюенсу квантов в месте его установки.

где b - постоянный коэффициент связи.

Зависимость чувствительности детектора от энергии квантов излучения называется спектральной характеристикой детектора - СХ [5. Веретенников А.И., Горбачев В.М., Предеин Б.А. Методы исследования импульсных излучений. М.: Энергоатомиздат, 1985, С.9].

Идеальный детектор-калориметр регистрирует флюенс энергии независимо от спектра квантов и является "всеволновым" по флюенсу энергии. СХ идеального детектора-калориметра имеет вид прямой линии, идущей из нуля и характеризуется одним коэффициентом связи (параметром) b.

Другим вариантом идеального гипотетического детектора является детектор с чувствительностью, независимой от энергии квантов:

где а - некоторое постоянное значение.

Детектор с чувствительностью (8), независимой от энергии, является "всеволновым" по флюенсу квантов.

Два таких детектора с СХ вида (7) и (8), поставленные в паре, обеспечили бы измерение флюенса энергии, флюенса квантов и определение средней энергии по формуле (1).

Однако у реальных детекторов СХ отличаются от идеальных вида (7), (8). Для калориметра конечных размеров СХ будет отличаться от (7). Детектор же, являющийся всеволновым по флюенсу квантов для области энергий квантов до ˜ 40 МэВ, авторам не известен.

Рассмотрим характеристики детекторов предлагаемого метода.

Возьмем для однозначности такие дифференциальные по времени детекторы, откликом которых является ток I(t) (или заряд Q - интеграл тока по времени в частном случае).

Эти детекторы также характеризует чувствительность η[А/(кв/см²c)], которая определяется как отношение тока с детектора к плотности потока квантов в месте его установки

Предлагаются к использованию способ и система, базирующиеся на детекторах, СХ которых будут учитывать неидеальность реальных зависимостей детекторов и включать в себя поправки во всеволновые зависимости. Такие СХ представляются в более общем, чем СХ прототипа (7), линейном виде, выражающемся суперпозицией двух составляющих, использующим два постоянных коэффициента:

где a, b - коэффициенты, характеризующие постоянную и прямо пропорциональную энергии части СХ.

Для реализации заявляемого подхода требуется обеспечить определенное различие значений этих коэффициентов для первого и последующего детекторов.

При представлении СХ детекторов в виде (10) их отклик на воздействие излучения, имеющего распределение квантов по энергии, с учетом (1) определяется как:

где ϕ - плотность потока квантов в импульсе, в месте установки детекторов;

ϕ_w - плотность потока энергии в импульсе;

- средняя энергия квантов;

ϕ(Е) - энергетическая плотность потока квантов излучения.

Здесь и далее в большинстве формул нами для краткости опускаются временные аргументы.

Из выражения (11) следует, что отклик детектора, имеющего СХ вида (10), на воздействие излучения является суммой двух частей, одна из которых пропорциональна плотности потока энергии в месте установки детекторов, а вторая - плотности потока квантов.

Зависимости вида (10) представляют собой уточненное приближение для реальных СХ детекторов. Такое представление СХ открывает возможности для выбора и использования при определении характеристик излучения в разных редакциях измерений более широкого круга детекторов.

Линейный характер СХ детекторов сохраняет независимость результата в виде суммы (11) от спектра квантов.

У идеального детектора-калориметра СХ можно формально представлять в общем линейном виде, при этом а=0.

Предложенная математическая модель метода представляет собой следующее.

Вводится вектор характеристик поля излучения G, определяемый как:

Для определения характеристик поля в нашем распоряжении должно как минимум два детектора с зависимостью вида (10). Эти детекторы должны устанавливаться в одном потоке излучения.

Вводится матрица чувствительностей детекторов М, определяемая как:

Индексы 1, 2 относятся, соответственно, к первому и второму детекторам.

Матрица М находится следующим образом. Проводится расчет, как правило, методом Монте-Карло [6. Донской Е.Н. Методика и программа ЭЛИЗА решения методом Монте-Карло задач совместного переноса γ-излучения, электронов и позитронов // ВАНТ. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 1993. Вып.1. С.3-6], спектральных характеристик детекторов. В расчетах обычно определяется только относительная зависимость СХ. Для перевода СХ в абсолютные токовые единицы проводится градуировка детекторов на источнике излучения с известными параметрами, например Со⁶⁰ или другом источнике. Градуировка детекторов может производиться разными способами, путем установки детекторов на своих рабочих местах или в помещении градуировочного источника. После проведения градуировки СХ детекторов переводятся в токовые единицы.

Далее производится линеаризация СХ. Линеаризация СХ детекторов и определение коэффициентов a, b осуществляется методом максимального правдоподобия (методом наименьших квадратов) [7. Худсон Д. Статистика для физиков. Пер. с англ. М.: МИР, 1967] на энергетическом отрезке, охватывающем максимально возможную часть спектра квантов. Матрица М составляется из коэффициентов а_i, b_i детекторов. Коэффициенты а_i, b_i являются постоянными величинами, не зависящими от времени и энергии.

Далее проводится регистрация откликов с детекторов. Как правило, регистрация проводится с помощью современных цифровых регистраторов с определенным временным шагом дискретизации. Пусть I₁(t), I₂(t) - временные зависимости токов в импульсе, измеряемые на выходе с двух детекторов, установленных рядом, и соответствующий вектор результатов измерений I представляет собой:

При необходимости проводится операция коррекции формы зарегистрированных импульсов с помощью импульсных характеристик каналов регистрации [5].

Токи с детекторов связаны с характеристиками поля излучения следующим уравнением:

Для определения характеристик поля излучения решается векторное уравнение (15) в различные моменты времени, соответствующие моментам дискретизации. Векторное уравнение (15) решается стандартными методами, например, через определители матриц.

Как известно, для решения уравнения (15) коэффициенты а₂, b₂ второго детектора должны существенно отличаться от коэффициентов для первого детектора. Эти отличия должны обеспечивать ненулевое значение детерминанта Δ матрицы (13)

что эквивалентно условию

и существование решения уравнения в целом.

Характеристики поля излучения - временные зависимости ϕ(t) и ϕ_w(t) определяются в виде массивов по результатам измерений токов с двух детекторов и решения векторного уравнения (15).

Временная зависимость средней энергии квантов определяется как частное от деления значений плотности потока энергии ϕ_w на значения плотности потока квантов (по формуле (1) в различные моменты времени.

При выборе детекторов для данного способа оценивается погрешность представления реальных СХ в линейном виде и проводятся расчетные исследования влияния этой погрешности на определение характеристик излучения. Если ожидаемые погрешности линеаризации соответствуют требованиям эксперимента, то детектор принимается к использованию для измерений излучения.

В данном способе для повышения точности измерений можно использовать третий и последующие детекторы с линейными различающимися СХ и включать их в совместную обработку для определения характеристик поля излучения. Вектор I и матрица М в этом случае выглядят как:

где i - номер детектора, i=1, 2, 3...n.

В этом случае связь векторов I и G также определяется уравнением (15), в котором вектор I и матрица М выражаются в виде (18), (19).

Уравнение (11) можно представить в виде

Введем новые обозначения:

Тогда уравнение (20) записывается в виде:

Уравнение (22) представляет собой уравнение прямой линии в координатах Y, Х с двумя параметрами ϕ и ϕ_w. Если у нас есть набор таких уравнений, то параметры уравнений ϕ, ϕ_w определяются стандартными методами, например методом максимального правдоподобия.

В общем случае уравнение (15) с двумя неизвестными решается стандартным методом через определители в случае двух детекторов или методом максимального правдоподобия в случае трех и более детекторов.

Детекторы заявляемого способа должны существенно отличаться друг от друга по отношениям параметров

Таким образом, выбранная физическая модель позволила в предложенном способе упростить процедуру определения комплекса энергетических характеристик измеряемого излучения с использованием информации, полученной в рамках данного способа (самодостаточный метод), без привлечения дополнительной информации о спектре, полученной другими методами.

Система регистрации, в основу которой заложен вышеизложенный физический принцип, обеспечивает возможность сохранения компактных габаритов чувствительных элементов детекторов при определении характеристик излучения в исследуемом диапазоне энергий, в частности, плотности потока энергии, и создает принципиальную возможность определения плотности потока квантов и средней энергии квантов в одном эксперименте. Это обусловлено тем, что используются как минимум два детектора (основной и добавочный) с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, подобранных таким образом, что их различные спектральные характеристики представляются в общем линейном виде с двумя отличающимися коэффициентами. Причем предложен конкретный подход к обеспечению различия спектральных характеристик. Это различие достигается путем задания взаимного положения детекторов и их положения относительно конвертора. Функции конвертора в этом случае может выполнять независимо расположенный слой материала или совместно с чувствительным элементом детектора слой материала, с толщиной, обеспечивающей поглощение энергии в чувствительном элементе в условиях, близких к электронному равновесию. При этом конвертор необходимо размещать в прямом потоке излучения (за отверстием коллиматора вдоль оси отверстия). Для задания положения детекторов важным является требование размещения их под углом к направлению распространения прямого потока, позволяющим регистрацию конвертированного излучения. Все это создает условия, позволяющие реализовать выбранную физическую модель и обеспечивающие измерение флюенса энергии излучения с энергией квантов до 40 МэВ, что невозможно в прототипе с сохранением габаритов чувствительного элемента детектора и точности определения отклика, а также измерение флюенса квантов. Кроме того, в случае выполнения детектора сцинтилляционным со сцинтиллятором на основе полистирола, обеспечивается возможность измерять временную форму импульса. Уровни доз при этом могут варьироваться в широких пределах, от нижнего предела в ˜ доли рад до верхнего предела в ˜ крад.

На фиг.1 схематично изображена сборка в геометрии измерений, где 1 - детектор прямого потока Д_п, в котором обозначены 2 - чувствительный элемент детектора 1, 3 - слой материала перед чувствительным элементом детектора 1, 4 - фотоэлемент, 5 - детектор второго варианта установки Д_к (добавочный детектор), 6 - чувствительный элемент детектора 5, 7 - детектор третьего варианта установки Д_кф (второй добавочный детектор), 8 - чувствительный элемент детектора 7, 9 - фильтр, 10 - свинцовая защита, 11 - бетонная стена биологической защиты толщиной 260 см, 12 - отверстие в бетонной стене, ⊘=10 см, 13 - мишень или источник излучения.

На фиг.2 схематично изображена сборка в геометрии измерений, в которой 14 - конвертор в виде отдельно расположенного слоя материала.

На фиг.3 изображены зависимости чувствительности детекторов - спектральные характеристики от энергии квантов ТИ.

----- Детектор Д_к, угол установки 25°, детектор Д_п, детектор Д_кф, угол установки 90°.

На фиг.4 изображена зависимость чувствительности детектора Д_п от энергии квантов ТИ - спектральная характеристика и ее линеаризация.

----- Расчет МК, линеаризация

На фиг.5 изображена зависимость чувствительности детектора Д_кф от энергии квантов ТИ - спектральная характеристика и ее линеаризация.

----- Расчет МК, линеаризация

При реализации заявляемого способа была использована сборка, схемы которой приведены на фиг.1, 2.

На фиг.1 указаны три варианта установки детекторов при заявляемом способе регистрации. В первом варианте детектор 1, характеризующийся откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, с чувствительным элементом 2 расположен в прямом потоке излучения квантов источника излучения 13 напротив отверстия 12 в бетонном коллиматоре. Перед чувствительным элементом детектора размещен слой материала 3 из алюминия толщиной 3 см, образующий совместно с чувствительным элементом конвертор. Этот детектор обозначен Д_п (детектор прямого потока). Алюминиевый слой 3 формирует поглощенную дозу в детекторе в условиях, близких к электронному равновесию до энергий квантов не менее 40 МэВ и обеспечивает линейный вид спектральной характеристики. Во втором и третьем вариантах установки оба добавочных детектора 5, 7 с откликом, пропорциональным поглощенной энергии, устанавливаются за бетонной стеной (коллиматором) вне пятна отверстия в области регистрации конвертированного излучения каждый под определенным углом (к оси отверстия коллиматора (характеризующей направление распространения прямого потока регистрируемого излучения от источника), что исключает воздействие первичного излучения на детекторы. То есть взаимное положение детекторов и их положение относительно конвертора позволяет регистрировать конвертированное излучение и обеспечивает различие СХ детекторов. Далее угол θ_i, образуемый осью отверстия коллиматора и линией вдоль направления, соединяющего конвертор и каждый i-й добавочный детектор, и соответствующий углу вылета конвертированного излучения, регистрируемого добавочным детектором, назван также углом установки детектора.

Изменение коэффициентов a, b CX детекторов второго и третьего вариантов по сравнению с коэффициентами СХ детектора Д_п в рабочем диапазоне энергий квантов достигается за счет относительного расположения детекторов при регистрации преобразованного размещенным за отверстием коллиматора конвертором 3-2 излучения, состоящего из рассеянных квантов, а также сопутствующих вторичных электронов и позитронов.

Преобразование квантов (фиг.1) происходит на конверторе, образованном алюминиевым слоем 3 (слоем материала с толщиной, обеспечивающей поглощение энергии в чувствительном элементе в условиях, близких к электронному равновесию) и сцинтиллятором 2 (чувствительным элементом) первого детектора. Детекторы второго и третьего вариантов установки (добавочные детекторы) обладают измененной СХ применительно к плотности потока первичных квантов в точке установки Д_п.

Детектор второго варианта 5, регистрирующий конвертированное излучение, на фиг.1 обозначен Д_к, детектор третьего варианта 7 - Д_кф, он снабжен фильтром 9.

В данной реализации использованы сцинтилляционные детекторы с чувствительным элементом в виде сцинтиллятора на основе полистирола (химический состав (СН)_n) и фотоприемников. Размеры сцинтилляторов детекторов составляют ⊘10×5 см для детектора Д_п и ⊘5×10 см для детекторов второго и третьего вариантов. Временное разрешение детекторов составляет ˜5 нс. Сцинтилляционные детекторы могут регистрировать излучения с нижним пределом поглощенных доз в доли рад.

СХ данных детекторов определяются поглощенной энергией и являются сложной функцией всех параметров редакции измерений. СХ детекторов определены расчетами по методу Монте-Карло и приведены на фиг.3. Для удобства сопоставления приведенные СХ детекторов нормированы на значение при энергии квантов 1.25 МэВ.

Выбор оптимального вида СХ дополнительных детекторов Д_к, Д_кф по сравнению с СХ первого детектора достигается подбором параметров редакции измерений - угла установки θ, толщины фильтра и зазора. В конкретном случае углы θ установки второго детектора изменялись в диапазоне 25°-135°, фиг.1.

Детектор Д_к не имеет фильтра или этот фильтр тонкий, ˜ единицы миллиметров. Поглощенная доза в детекторе Д_к формируется, в основном, вторичными электронами и позитронами. СХ этого детектора имеет более крутой наклон по сравнению с детектором Д_п, фиг.3.

Третий вариант установки детектора предполагает наличие на детекторе Д_кф алюминиевого фильтра толщиной свыше 3 см с определенным зазором, который максимально уменьшается вклад вторичных электронов и позитронов и этот детектор регистрирует преимущественно рассеянные кванты.

Для квантов с энергией несколько МэВ и выше основными процессами взаимодействия являются, во-первых, комптоновское рассеяние, в котором образуется также электрон отдачи. Во-вторых, идет процесс поглощения первичного кванта и образования пары электрон-позитрон. Зависимость дифференциального сечения комптоновского рассеяния спадает с ростом энергии квантов [8. Гусев Н.Г., Климанов В.А., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Том 1, М.: Энергоатомиздат, 1989]. Энергии рассеянных квантов меньше энергии первичных квантов и выходят на постоянный уровень в пределе больших энергий первичных квантов. Предельные энергии рассеянных квантов для углов рассеяния 25°, 45°, 60°, 90°, равны, соответственно, 4.8; 1.67; 0.995; 0.5 МэВ.

Если детектор в основном регистрирует рассеянные кванты излучения, то перечисленные свойства рассеянных квантов приводят к уменьшению наклона СХ детектора по сравнению с наклоном СХ детектора Д_п. При использовании этого детектора характеристики поля излучения определяются с наименьшей погрешностью.

Примеры линеаризации СХ для двух детекторов Д_п и Д_кф приведены на фиг.4, 5. При линеаризации СХ определяются коэффициенты матрицы (13) - a₁, b₁, a₂, b₂.

Для измерения характеристик поля излучения данным способом можно использовать любую пару детекторов из описанных выше или три детектора совместно. Если используется пара детекторов Д_к-Д_кф, то для них должен устанавливаться конвертор излучения 14 в виде отдельно расположенного в прямом потоке слоя материала. Схема измерений, соответствующая данному варианту, приведена на фиг.2. Конвертор должен иметь толщину, обеспечивающую достаточную для регистрации детекторами плотность потока конвертированного излучения, и изготавливаться из материала с малым Z.

В приведенных СХ детекторов второго и третьего вариантов имеют место отклонения от прямой линии, достигающие до ±10% в отдельных точках. Тем не менее, линеаризация СХ и определение средней энергии квантов данным способом приводит к определению средних энергий квантов с приемлемой погрешностью. Для спектров излучения со средней энергией МэВ значение этой погрешности меньше 7%. При этом по сравнению с прототипом сохранены габариты чувствительного элемента детектора.

Приведем пример реализации способа для измерения характеристик поля ТИ с помощью двух детекторов - Д_п и Д_кф, фиг.1. Рассмотрим для простоты случай определения интегральных характеристик излучения - флюенсов энергии Ф_w и флюенса квантов Ф.

Первый детектор - детектор прямого потока Д_п является сцинтилляционным с чувствительным элементом в виде сцинтиллятора на основе полистирола. Слой, образующий конвертор совместно с чувствительным элементом, выполнен из алюминия толщиной 3 см. В детекторе использован в качестве фотоприемника фотоэлемент СДФ-7 [5, С.75]. СХ обоих детекторов рассчитываются методом Монте-Карло в единицах удельной поглощенной энергии МэВ/г при задании реальной геометрии установки двух детекторов. Чувствительность первого детектора к гамма-излучению, определенная на источнике Со⁶⁰, равна 5×10^-17 Кл/(кв/см²). На основании этого значения чувствительности СХ первого детектора переводится в зарядовые единицы.

Производится линеаризация СХ первого детектора. В линейном виде СХ представляется так:

Здесь энергия выражена в МэВ. Для зависимости (24)

В соответствии с градуировкой первого детектора

Второй детектор - Д_кф имеет чувствительный элемент, аналогичный первому, снабжен фильтром из алюминия толщиной 3.5 см. Угол установки второго детектора θ составляет 45°. Во втором детекторе в качестве фотоприемника используется фотоумножитель. Для определения чувствительности второго детектора производится совместная градуировка детекторов, установленных на своих рабочих местах, с помощью импульсного источника излучения с известными параметрами. При этом экспериментально определяется коэффициент усиления второго детектора относительно первого. С помощью этого коэффициента и расчетных поглощенных энергий СХ второго детектора переводится в зарядовые единицы и после линеаризации представляется как

Для зависимости (27)

Составляется матрица М (13) из коэффициентов а и b СХ детекторов (25), (28):

Регистрация токов с детекторов производится с помощью цифрового осциллографа TDS 3054. В импульсе ускорителя ЛИУ-30 были зарегистрированы токовые отклики с детекторов, которые после обработки дали следующие значения зарядов с детекторов:

Вектор откликов с детекторов выглядит следующим образом:

Составляется система уравнений (15) для определения вектора флюенса энергии Ф_w и флюенса квантов Ф:

Значения коэффициентов матрицы (29) обеспечивают ненулевое значение детерминанта матрицы, равное

и однозначное решение системы (32).

Решение этой системы дает следующие значения флюенсов:

Значение средней энергии за импульс ускорителя определяется в соответствии с формулой (1)

В результате измерений данным способом и обработки результатов нами получены характеристики поля ТИ - значения Ф, Ф_w и .

Таким образом, выбор физической модели процесса позволяет при ее технической реализации обеспечить при сохранении габаритов чувствительного элемента детектора возможность получения комплекса характеристик регистрируемого излучения в рамках одного эксперимента и добиться заявляемого технического результата.

1. Способ определения характеристик тормозного или гамма-излучения импульсных источников, состоящий в регистрации излучения детектором с линейной спектральной характеристикой (СХ), отличающийся тем, что подбирают детектор, характеризующийся линейной СХ, описываемой выражением в виде суперпозиции двух составляющих η₁(Е)=a₁+b₁E, где Е - энергия излучения, a₁, b₁

- постоянные коэффициенты, определяемые в результате расчета СХ в рабочем энергетическом диапазоне и градуировки чувствительности детекторов на источнике излучения с известными параметрами, при регистрации производят одновременное с вышеназванным детектирование излучения по меньшей мере одним добавочным детектором, подобранным таким образом, чтобы его линейная СХ, представляемая также в виде суперпозиции двух составляющих η_i(E)=a_i+b_iЕ, где Е - энергия излучения, i=2...n - порядковый номер дополнительного детектора, а_i, b_i - постоянные коэффициенты, определяемые аналогично коэффициентам первого детектора, отличалась своими коэффициентами от СХ первого и других детекторов, причем при детектировании в качестве отклика с каждого из детекторов измеряют ток I, используют измеренные значения токов при решении векторного уравнения

MG=I,

где I - вектор откликов с n детекторов,

I=1, 2, 3,...n,

М - матрица чувствительностей детекторов, составляемая из коэффициентов СХ детекторов,

G - вектор характеристик поля измеряемого излучения, определяемый как

где ϕ, ϕ_w - соответственно плотность потока квантов и плотность потока энергии;

определяют характеристики излучения по компонентам вектора откликов как результат решения векторного уравнения.

2. Система регистрации тормозного или гамма-излучения для определения его характеристик, включающая детектор с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, отличающаяся тем, что система снабжена следующим за источником излучения коллиматором с отверстием, а установленный в зоне за коллиматором указанный детектор дополнен по меньшей мере одним добавочным детектором с откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения, при этом каждый из упомянутых детекторов подобран таким образом, что их различные спектральные характеристики представляются в общем линейном виде с двумя отличающимися коэффициентами.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что вдоль оси отверстия коллиматора за ним размещен конвертор излучения, различие спектральных характеристик детекторов обеспечено их взаимным положением и положением относительно введенного в систему конвертора.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что детектор установлен напротив отверстия коллиматора, конвертор образован чувствительным элементом детектора и размещенным перед ним слоем материала с толщиной, обеспечивающей поглощение энергии в чувствительном элементе в условиях, близких к электронному равновесию, а направление установки каждого из добавочных детекторов образует угол с осью отверстия коллиматора, обеспечивающий регистрацию излучения с конвертора.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что конвертором служит слой материала с толщиной, обеспечивающей достаточную для регистрации детекторами плотность потока конвертированного излучения, а направление установки добавочных детекторов образует угол с осью отверстия коллиматора, обеспечивающий регистрацию излучения с конвертора.

6. Система по п.4 или 5, отличающаяся тем, что добавочный детектор снабжен фильтром.