Модуль детектора гамма-излучения для портальных приложений

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля гамма-излучения, исходящего от персонала, транспортных средств, поездов, грузовых контейнеров и других объектов. Изобретение направлено на создание простого в изготовлении устройства обнаружения гамма-излучения, имеющего высокую энергетическую разрешающую способность, что обеспечивается за счет того, что устройство содержит удлиненный модуль детектора гамма-излучения, который имеет корпус, содержащий крышку, герметично изолирующую упомянутый корпус, пару цилиндров внутри корпуса, каждый из которых содержит удлиненный сцинтилляционный материал. При этом оба цилиндра со сцинтилляционным материалом на каждом из своих противоположных торцов содержат по установленному вдоль его оси фотоэлектронному умножителю и пружине для смещения соответствующего фотоэлектронного умножителя в направлении к сцинтилляционному материалу. Причем крышка имеет лицевую сторону, покрывающую, по меньшей мере, сцинтилляционный материал и выполненную из материала, по существу, прозрачного для гамма-излучения, обеспечивая возможность взаимодействия гамма-излучения со сцинтилляционными материалами, обнаруживаемого фотоэлектронными умножителями, для формирования электрического сигнала, пропорционального величине гамма-излучения. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к модулям детектора гамма-излучения для портальных приложений и, в частности, относится к модулям обнаружения гамма-излучения для контроля гамма-излучения, исходящего от персонала, транспортных средств, поездов, грузовых контейнеров и других объектов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известные детекторы гамма-излучения, используемые в портальных приложениях, являются обычно или ПВТ (основанными на поливинилтолуоле) пластмассовыми сцинтилляторами, или большими прямоугольными NaI (Ti) кристаллами внутри герметично изолированных корпусов. В обоих случаях детекторы используют фотоэлектронные умножители для обнаружения фотонов, излучаемых сцинтилляторами, чувствительными к воздействию гамма-излучения. Основанные на ПВТ детекторы используются, как правило, из-за их относительно низкой стоимости. Детекторы на основе йодида натрия используются, главным образом, из-за их способности обеспечить в некоторой степени возможности спектроскопической идентификации. К настоящему времени разработаны новые порталы излучения, которые требуют возможности спектроскопической идентификации. Это означает, что использование основанных на ПВТ детекторов прекращается, так как пластмассовые сцинтилляторы не могут обеспечить измерения энергетической разрешающей способности.

Следовательно, основанные на йодиде натрия детекторы являются предпочтительными, так как они обеспечивают возможность измерения энергетической разрешающей способности. Хотя их стоимость выше стоимости основанных на ПВТ детекторов, стоимость детекторов на основе йодида натрия остается ниже стоимости многих других типов детекторов высокой энергетической разрешающей способности, например, германия высокой чистоты, теллурида кадмиевого цинка, ценона высокого давления и т.д. Недостатком основанных на йодиде натрия детекторов является то, что должны быть использованы 4-5 детекторов, чтобы получить ту же самую эффективность обнаружения, которую имеет стандартный основанный на ПВТ портальный детектор. Кроме того, энергетическая разрешающая способность, получаемая с этими основанными на йодиде натрия детекторами, обычно составляет 8% при 662 кэВ (кило-электрон-вольт) (изотоп Cs-137). Это означает, что компромисс между энергетической разрешающей способностью и стоимостью должен быть достигнут, когда устанавливают портал обнаружения излучения и обеспечивают возможность модифицировать или изготавливать по заказу детекторы для конкретных портальных приложений. Таким образом, возникла потребность в модульном, простом в изготовлении детекторе гамма-излучения высокой энергетической разрешающей способности, предназначенном прежде всего для использования в порталах обнаружения гамма-излучения.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства обнаружения гамма-излучения, простого в изготовлении, имеющего высокую энергетическую разрешающую способность за счет обеспечения возможности совместно учитывать погрешности измерений, обусловленные собственными шумами фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и неплотностью прилегания ФЭУ к сцинтиллятору, в частности, вследствие вибраций детектора при контроле транспортных средств в процессе их движения.

Согласно настоящему изобретению предложено устройство обнаружения гамма-излучения для портальных приложений, содержащее удлиненный модуль детектора гамма-излучения, имеющий корпус, содержащий крышку, которая герметично изолирует корпус, и пару цилиндров внутри корпуса, причем каждый цилиндр содержит удлиненный сцинтилляционный материал и фотоэлектронный умножитель, установленные вдоль общей оси, крышка имеет лицевую сторону, покрывающую, по меньшей мере, сцинтилляционный материал и выполненную из материала, по существу, прозрачного для гамма-излучения, обеспечивающего возможность взаимодействия гамма-излучения со сцинтилляционными материалами, обнаруживаемого фотоэлектронными умножителями, для формирования электрического сигнала, пропорционального величине гамма-излучения.

В другом предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения предложен портал детектора гамма-излучения, содержащий колонну напротив возможного источника гамма-излучения, множество модулей детектора гамма-излучения, причем каждый детектор содержит корпус, имеющий крышку, которая герметично изолирует корпус, пару цилиндров внутри корпуса, причем каждый цилиндр содержит удлиненный сцинтилляционный материал и фотоэлектронный умножитель, установленные вдоль общей оси, крышка имеет лицевую сторону, покрывающую, по меньшей мере, сцинтилляционный материал и выполненную из материала, по существу, прозрачного для гамма-излучения, обеспечивающего возможность взаимодействия гамма-излучения со сцинтилляционными материалами, обнаруживаемого фотоэлектронными умножителями для формирования электрического сигнала, пропорционального величине гамма-излучения, при этом модули установлены в штабель один поверх другого в колонне с лицевыми сторонами его, размещенными для приема гамма-излучения от источника излучения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает общий вид в разобранном состоянии модуля детектора гамма-излучения согласно изобретению;

Фиг.2 - вид в плане модуля с удаленными крышкой и определенной набивкой и расположение составных элементов внутри модуля согласно изобретению;

Фиг.3 - общий вид собранного модуля согласно изобретению;

Фиг.4 - общий вид колонн, несущих модули гамма-излучения на противоположных сторонах поезда, для обнаружения гамма-излучения, исходящего от вагонов поезда, согласно изобретению;

Фиг.5 - вид в плане сцинтилляционных детекторов с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) на противоположных торцах сцинтилляционного кристалла согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 показан модуль 10 обнаружения гамма-излучения для использования при обнаружении гамма-излучения в портальных приложениях. Модуль 10 содержит коробообразный контейнер 12 и крышку 14, прикрепленную к корпусу и герметично изолирующую его. Коробообразный контейнер 12 имеет противоположные боковые стенки 16, торцевые стенки 18 и нижнюю стенку 20 вместе с кромкой 22, определяющей отверстие в контейнере 12.

В предпочтительном варианте воплощения внутри корпуса размещена пара цилиндров 24. В частности, контейнер 12 содержит набивку 26, предпочтительно сформированную для приема цилиндров 24, располагаемых бок о бок относительно друг друга. Набивка 28 покрывает цилиндры 24 и имеет аналогичную форму, соответствующую частично цилиндрам 24. Поэтому цилиндры лежат соответственно между нижней и верхней набивками 26 и 28, которые, в свою очередь, находятся между контейнером 12 и крышкой 14, когда последняя установлена на контейнере 12.

Каждый цилиндр 24 (Фиг.2) содержит удлиненный, цилиндрической формы сцинтилляционный материал 30, обернутый с образованием отражающего покрытия, например лентой, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 32, установленный вдоль общей оси, и сцинтилляционный материал 30 и ФЭУ образуют непрерывные части цилиндра. Каждый цилиндр также содержит пружину 36 на одном торце цилиндра для смещения цилиндрического сцинтилляционного материала 30 к ФЭУ 32. Каждый ФЭУ, в свою очередь, содержит электрическое выходное соединение 38. Как показано на фиг.3, электрическое выходное соединение 38 для цилиндров 24 подсоединено к электрическому соединению другого цилиндра в точке или внутри контейнера 12, или снаружи корпуса для вывода сформированного электрического сигнала, указывающего величину гамма-излучения, обнаруженного сцинтилляционным материалом 30. Электрические соединения 38 могут быть объединены внутри или снаружи корпуса, если это необходимо или целесообразно.

Сцинтилляционный материал взаимодействует с принятым гамма-излучением для образования фотонов. Фотоны обнаруживают посредством фотоэлектронных умножителей. Число фотонов зависит от интенсивности гамма-излучения, фотоэлектронные умножители ФЭУ превращают воздействующие фотоны в электрический сигнал, пропорциональный гамма-излучению, действующему на сцинтилляционный материал. Сцинтилляционный материал предпочтительно содержит кристаллы йодида натрия и может содержать любой другой материал, который будет обеспечивать возможность энергетической разрешающей способности, такой как легированный таллием йодид цезия или оксид висмута-германия.

Контейнер 12 предпочтительно выполнен из жесткого материала, такого как сталь, для придания жесткости корпусу. Контейнер 12 может быть также облицован материалом, таким как свинец, для снижения прохождения фонового излучения через контейнер. Кромка 22 контейнера 12 может иметь множество разнесенных в пространстве и имеющих резьбу отверстий вместе с уплотнением 40, например кольцеобразным уплотнением. Крышка 14 аналогично имеет кромку 42 с разнесенными в пространстве отверстиями 43, в результате чего крышка 14 может быть закреплена винтами 44 на контейнере 12, герметично изолируя корпус с цилиндрами 24. Герметичное уплотнение необходимо для предотвращения попадания водяного пара или влаги в корпус, так как йодид натрия, который является предпочтительным сцинтилляционным материалом, он очень гигроскопичен и будет распадаться при контакте с водой. Кромка 42 крышки 14 используется в качестве конструктивного соединения с контейнером 12. Внутренний участок крышки 14 образует лицевую сторону 45, которая, по существу, является прозрачной для гамма-излучения, которое проходит через лицевую сторону 45 для взаимодействия со сцинтилляционным материалом цилиндров 24. Крышка 14 предпочтительно выполнена из алюминия. Для увеличения прозрачности для гамма-излучения лицевая сторона 45 имеет толщину, значительно меньшую толщины кромок 42 крышки 14. Например, толщина лицевой стороны 45 может быть порядка 0,0040 дюйма, и она предпочтительно выполнена из алюминия.

В качестве примера размерной конфигурации корпуса общая длина каждого цилиндра 24 может быть порядка 16 дюймов, диаметр 2 дюйма или немного больше 2 дюймов. Фотоэлектронные умножители могут иметь длину 4 дюйма и диаметр, аналогичный диаметру сцинтилляционного материала. Поэтому прямолинейная конфигурация модуля может иметь длину, ширину и глубину порядка соответственно около 22 дюймов, 6 дюймов и 4 дюймов. При указанной установке цилиндров 24 внутри корпуса два цилиндра размещены бок о бок в коробообразном контейнере с общим окном для приема гамма-излучения. Прямолинейная конфигурация модуля обнаружения излучения позволяет использовать модуль во многих разнообразных приложениях. Например, как показано на фиг.4, схематически иллюстрирующей поезд 60 на рельсах 62, необходимо обнаружить излучение, исходящее от этого источника, то есть содержимого железнодорожных вагонов поезда. Из-за прямолинейной конфигурации модулей последние могут быть установлены в штабель один поверх другого в колоннах 64 с одной или с обеих сторон железнодорожных вагонов, когда они проходят между колоннами 64. Например, пять модулей 10 могут быть установлены один поверх другого и поддерживаются колоннами 64, причем цилиндры 24 модулей имеют вертикальную ориентацию. Поэтому когда железнодорожные вагоны проходят мимо колонн 64, любое гамма-излучение, исходящее от одного или более железнодорожных вагонов, будет проходить через лицевые стороны 45 одного или более модулей 10, позволяя модулям обнаружить испускаемое гамма-излучение.

На фиг.5 показана альтернативная конструкция модуля 10. В этом варианте цилиндры 24 имеют фотоэлектронные умножители 70 на противоположных торцах цилиндра, то есть на противоположных осевых сторонах сцинтилляционного материала 30 в центральной области цилиндра. Цилиндрические витые пружины 72 установлены на противоположных торцах между контейнером и фотоэлектронными умножителями ФЭУ для смещения последних в направлении к сцинтилляционному материалу. Этот годоскопический тип устройства позволяет сравнивать выход сигнала от фотоэлектронных умножителей на противоположных торцах цилиндров. Таким образом, паразитные сигналы, такие как сигналы, принятые на одном торце цилиндра, а не на другом торце, можно не принимать во внимание, и может быть получена более точная индикация интенсивности гамма-излучения.

Из вышеприведенного описания следует, что модуль обнаружения гамма-излучения прост в изготовлении и представляет собой детектор высокой энергетической разрешающей способности, выполненный с геометрией для более простой обработки материала, а также для усовершенствованного сбора света. Обеспечивая усовершенствованный сбор света, детекторы также обеспечивают усовершенствованную энергетическую разрешающую способность. Например, могут быть получены энергетические разрешающие способности от 6,5% до 7,5% ширины на полувысоте при 662 кэВ (изотоп Cs-137). Итак, модульная концепция позволяет использовать одни и те же модули в различных типах порталов, а также возможность переменной электронной обработки по запросу пользователя модуля. Сцинтилляционный материал не ограничивается только йодидом натрия, и могут быть использованы и другие сцинтилляционные материалы, как укаано выше.

Хотя изобретение было описано в связи с наиболее практичными и предпочтительными вариантами воплощения, понятно, что изобретение этим не ограничивается, оно охватывает различные модификации и эквивалентные устройства в пределах объема его патентной защиты, определяемого формулой изобретения.

Список деталей

Модуль 10,

контейнер 12,

крышка 14,

нижняя стенка 20,

набивка 26, 28,

цилиндры 24,

фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 32,

сцинтилляционный материал 30,

пружина 36,

соединение 38,

кромка 22, 42,

уплотнение 40,

отверстия 43,

винты 44,

лицевая сторона 45, 44,

рельсы 62,

поезд 60,

колонны 64,

ФЭУ 70,

пружины 72.

1. Устройство обнаружения гамма-излучения для портальных приложений, содержащее удлиненный модуль (10) детектора гамма-излучения, имеющий корпус (12), содержащий крышку (14), герметично изолирующую упомянутый корпус, пару цилиндров (24) внутри корпуса, каждый из которых содержит удлиненный сцинтилляционный материал (30), оба цилиндра (24) со сцинтилляционным материалом на каждом из своих противоположных торцов содержат по установленному вдоль его оси фотоэлектронному умножителю (32) и пружине (72) для смещения соответствующего фотоэлектронного умножителя (32) в направлении к сцинтилляционному материалу, при этом крышка (14) имеет лицевую сторону (45), покрывающую, по меньшей мере, сцинтилляционный материал и выполненную из материала, по существу, прозрачного для гамма-излучения, обеспечивая возможность взаимодействия гамма-излучения со сцинтилляционными материалами, обнаруживаемого фотоэлектронными умножителями (32), для формирования электрического сигнала, пропорционального величине гамма-излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль является, в общем, прямолинейным, имеет боковые, торцевые, верхнюю и нижнюю стенки (16, 18, 14 и 20).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крышка содержит кромку (22) для крепления крышки (14) к кромкам коробообразного контейнера (12), образуя часть корпуса, причем лицевая сторона (45) расположена под кромкой (22) крышки и выполнена из материала, имеющего толщину меньше толщины кромки крышки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус содержит набивку (26, 28), окружающую цилиндры (24) внутри корпуса для защиты цилиндров.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый фотоэлектронный умножитель (32) предназначен для формирования электрического выходного сигнала, при этом сигналы объединяются внутри корпуса, а устройство содержит одно электрическое выводное соединение (38), проходящее через корпус и предназначенное для передачи объединенных сигналов из корпуса.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый фотоэлектронный умножитель (32) предназначен для генерирования электрического выходного сигнала и имеет электрическое выводное соединение (38), причем соединения выходят из корпуса для вывода отдельных выходных сигналов из корпуса.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль (10) является, в общем, прямолинейным и содержит контейнер, имеющий боковые, торцевые, верхнюю и нижнюю стенки (16, 18, 14 и 20), причем в контейнере размещен материал для снижения фонового излучения, проходящего через контейнер.