Способ измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения
Владельцы патента RU 2473927:
Федеральное государственное унитарное предприятие "РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР - ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к диагностике излучения различных импульсных источников гамма-излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения включает в себя прохождение гамма-излучения через поглощающие фильтры, регистрацию излучения, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра гамма-излучения, при этом регистрацию гамма-излучения осуществляют с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора, в котором излучение регистрируется отдельными для каждого слоя фотоприемниками в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ с высоким временным разрешением с получением исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в момент времени t<τ. Технический результат - получение исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в различные моменты времени. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к диагностике излучения различных импульсных источников гамма-излучения.
Широко известны разнообразные способы измерения энергетических спектров излучения стационарных гамма-источников с использованием регистраторов, работающих в режиме одночастичной регистрации: сцинтилляционных детекторов на основе органических и неорганических материалов, газовых ионизационных детекторов и магнитных спектрометров. (Л.С.Горн, Б.И.Хазанов Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1989).
Однако эти методы не применимы для измерения энергетических спектров излучения импульсных гамма-источников.
К известным методам измерения энергетического спектра импульсного гамма-излучения относится метод поглощающих фильтров (МПФ) с установленными за ними регистраторами, совместно обеспечивающими существенно различные спектральные зависимости чувствительности для каждого из М (по числу фильтров) каналов регистрации соответствующей измерительной установки.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения с использованием поглощающих фильтров, описанный в статье Ю.И. Чернухина, В.А.Терехина и С.И.Стрельцова «Гетерогенный сцинтилляционный детектор гамма-излучения» (Атомная энергия, т.101, №2, с.130-135, 2006), включающий прохождение гамма-излучения через поглощающие фильтры, регистрацию его, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра гамма-излучения.
Однако известный способ позволяет измерять только интегральные по времени спектры импульсного гамма-излучения, что связано с применением интегрирующих регистраторов: калориметров или дозиметров.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по получению достоверной информации о динамике изменения спектров гамма-излучения в течение длительности импульса источника.
Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в получении исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в различные моменты времени за счет регистрации сцинтилляций отдельными для каждого слоя гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД) фотоприемниками, работающими в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ.
Это достигается тем, что в способе измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения, включающем прохождение гамма-излучения через поглощающие фильтры, регистрацию его, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра гамма-излучения, согласно изобретению регистрацию гамма-излучения осуществляют с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора, в котором излучение регистрируется отдельными для каждого слоя фотоприемниками в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ с высоким временным разрешением с получением исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в момент времени t<τ.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки способа (осуществление регистрации гамма-излучения с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора, в котором излучение регистрируется отдельными для каждого слоя фотоприемниками в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ с высоким временным разрешением с получением исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в момент времени t<τ) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:
на фиг.1 - схема расчетной модели гетерогенного сцинтилляционного детектора ГСД-ФТ1, размеры в см;
на фиг.2 - аппаратурные функции Gi(E), i=1, 2, …9 модели ГСД-ФТ1;
на фиг.3 - исходный и восстановленный спектры потока квантов φk(Е) в числовом эксперименте при трех значениях времен tk и погрешности измерений ε=1%.
Для иллюстрации способа была выбрана модель гетерогенного сцинтилляционного детектора ГСД-ФТ1 (см. фиг.1), содержащая экран Э (А1, ρ=2,7 г/см3) толщиной Δэ=0,05 см, представляющая собой многослойную структуру 1=1, 2, …М с размером входного окна 12×10 см2, состоящую из М=9 конвертирующих свинцовых слоев Ki (Pb, ρ=11,3 г/см3) переменной толщины ΔКi значения которой приведены в таблице 1, в которых поток гамма-квантов φ(E,t) трансформируется в поток быстрых заряженных частиц (электронов и позитронов), и примыкающих к ним тонких сенсорных слоев Ci из сцинтиллирующей пластмассы (СН0,99, ρ=1,05 г/см3) толщиной ΔС=0,5 см; в которых энергия заряженных частиц преобразуется в сцинтилляции, регистрируемые светочувствительными приборами. При такой конфигурации ГСД фильтром гамма-излучения для i-го сенсорного слоя служит совокупность всех других слоев, стоящих перед ним.
| Таблица 1 | |||||||||
| Толщины конвертирующих слоев Ki модели ГСД-ФТ1 | |||||||||
| i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| ΔKi, см | 0,05 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,6 | 1,1 | 0,7 | 1,0 | 1,0 |
Сенсорные слои в этом детекторе могут быть выполнены в виде пластин из полистиролового сцинтиллятора (ПС) со спектросмещающими волокнами (WLS) для вывода света к фотоприемникам или набраны из сцинтиллирующего полистиролового оптоволокна фирмы BICRON. В качестве фотоприемников могут использоваться любые «быстрые» фотопреобразователи: фотоэлементы (ФЭЛ), фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и тому подобные приборы. Связь регистрируемого ими тока с потоком гамма-квантов, падающих на входное окно ГСД, определяется уравнением
где Jik≡Ji(tk)(А) - измеренное значение тока регистратора i-го сенсорного слоя ГСД в момент времени tk;
φk(E)=φ(E,tk) (кв/(см2·МэВ·с)) - плотность потока гамма-квантов с энергией Е [МэВ], падающих на входное окно ГСД с площадью П в момент времени tk;
Emin, Emax - минимальное и максимальное значения энергий гамма-квантов в спектре регистрируемого излучения;
Gi(E) (Кл/кв) - эффективность регистрации гамма-квантов с энергией Е в i-ом сенсорном слое ГСД (аппаратурная функция).
При решении системы уравнений (1) относительно спектральных функций φk(Е) аппаратурные функции Gi(E) считаются известными. В первом приближении они могут быть найдены по соотношению
Здесь: - gi, (E) (МэВ/кв) - поглощенная энергия в i-ом сенсорном слое, нормированная на один квант с энергией Е, падающий на входное окно детектора; для модели ГСД-ФТ1 она определялась методом Монте-Карло по программе MCNP (1σ<1%);
- Pi (фот/МэВ) - сцинтилляционная эффективность (световыход) i-го сенсорного слоя;
- Эi(%) - эффективность передачи света к i-му фоторегистратору;
- Yi (ф.э./фот) - квантовая эффективность фотокатода i-го регистратора (ФЭЛ, ФЭУ);
- Кi - коэффициент умножения i-го фоторегистратора (~1 -для ФЭЛ и ~106-для ФЭУ);
- е0=1,6·10-19 Кл/эл - заряд электрона.
В общем случае параметры Рi, Эi, Yi, Ki могут отличаться для всех каналов регистрации ГСД (i=1, 2,…М), их характерные значения:
Р=104 фот/МэВ, Э=2%, Y≈0,1 ф.э/фот, К=1 (для ФЭЛ), К=106 (для ФЭУ). Полученные по этим данным аппаратурные функции Gi(E) для модели ГСД-ФТ1 в диапазоне Е=(0,1÷5) МэВ приведены на фиг.2.
Восстановление искомого спектра гамма-квантов осуществляется путем решения системы уравнений (1) относительно спектральных функций φk(Е), когда аппаратурные функции Gi(E) и токи регистратора сенсорных слоев ГСД Jik заданы, относится к классу некорректно поставленных задач. Для однозначного выбора решения наряду с положительностью искомой функции φk(Е) используется ее представление в виде В-сплайна
где Bkj(E) - базисные сплайны с конечными носителями минимальной длины (В-сплайны);
ukj≥0 - искомые параметры задачи.
При подстановке (3) в (1) для заданного значения tk задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов ukj.
Проверка предложенного способа проводилась в числовом эксперименте на примере импульса тормозного излучения (ТИ) электронов ускорителя прямого действия ИГУР-3 (В.С.Диянков, В.П.Ковалев, А.И.Кормилицын и др. «Обзор экспериментальных установок ВНИИТФ для радиационных исследований» ФММ, т.81, №2, с.119-123, 1996).
Проведение «числового эксперимента» предполагает решение прямой и обратной задач согласно (1). В прямой задаче определяются зависимости Ji(t) по предварительно найденным спектральным функциям φ(E,t). Обратная задача заключается в решении системы интегральных уравнений (1) относительно функции φ(E,t) по результатам решения прямой задачи Ji(t) с учетом характерных ошибок в определении этих величин в реальных экспериментах
Задача решалась для трех значений времени tk, при k=1,2,3:
t1=2.1 нс: t2=25,9 нс, t3=65,5 нс.
Отсчет времени производили относительно максимума импульса напряжения.
Полученные результаты представлены на фиг.3. Из приведенных на фиг.3 данных видно, что рассматриваемая методика на основе ГСД позволит определить энерго-временные распределения импульсного гамма-излучения установок типа ИГУР-3 с точностью 10÷20% (2σ); для этого точность измерений амплитудных значений токов детектора должна быть не хуже ~1% (2σ).
Таким образом, изложенные сведения доказывают выполнимость при реализации заявленного способа следующей совокупности условий:
- предложенный способ, предназначенный для измерений спектров излучения мощных импульсных гамма-установок обеспечивает: возможность достижения рекордно-высокой чувствительности детектора и, как следствие, высокой устойчивости к внешним помехам; возможность изучения изменяемых в течение импульса спектров гамма-излучения; высокое временное разрешение (Δτ~ 5 нс).
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа измерения энергетических спектров импульсного излучения и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Способ измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения, включающий прохождение гамма-излучения через поглощающие фильтры, регистрацию излучения, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра гамма-излучения, отличающийся тем, что регистрацию гамма-излучения осуществляют с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора, в котором излучение регистрируется отдельными для каждого слоя фотоприемниками в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ с высоким временным разрешением с получением исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в момент времени t<τ.
