Способ регистрации характеристик ионизирующего излучения и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2529447:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Группа изобретений относится к области регистрации ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционных детекторов, а именно к регистрации формы импульсов рентгеновского и электронного излучений, в частности к области волоконно-оптической дозиметрии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют преобразование ионизирующего излучения в световой сигнал в сцинтилляторе, передачу сигнала по волоконно-оптическому каналу и раздвоение сигнала с последующим выделением из одного сигнала черенковского излучения, а из другого - сцинтилляционного излучения с долей черенковского путем пропускания каждого сигнала через свой узкополосный светофильтр, отличающийся один от другого спектральным диапазоном, преобразование сигналов в электрические, которые учитывают при обработке для определения характеристик ионизирующего излучения, при этом обработку электрических сигналов осуществляют с помощью аналогового вычитающего устройства, где производят вычитание одного сигнала из другого с последующей регистрацией: формы полученного сигнала, дозы за импульс, длительности, максимальной мощности без влияния черенковского излучения, причем на любом участке прохождения одного из сигналов до его преобразования в электрический или после осуществляют задержку этого сигнала для синхронизации прихода обоих преобразованных электрических сигналов на аналоговое вычитающее устройство. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Группа изобретений относится к области регистрации ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционных детекторов, а именно к регистрации формы импульсов рентгеновского и электронного излучений, в частности к области волоконно- оптической дозиметрии, и может быть использована для создания монитора-дозиметра наносекундного импульсного рентгеновского и электронного излучения.
Известно устройство, в котором реализован способ измерения мощности дозы ионизирующего излучения (патент US5006714, «Сцинтилляционный дозиметрический датчик», кл. G01Т 1/29, от 09.04.1991 г.). Устройство содержит: сцинтиллятор в водной среде, два параллельно расположенных световода, имеющие каждый первый и второй конец, два устройства преобразования света в выходной сигнал и вычитающее устройство. Первый конец первого световода находится в оптическом контакте со сцинтиллятором, первый конец второго световода - с водной средой вокруг сцинтиллятора. Вторые концы световодов находятся в оптическом контакте с двумя отдельными устройствами преобразования света в выходной сигнал. Первый выходной сигнал пропорционален мощности дозы воздействующего на сцинтиллятор ионизирующего излучения, второй выходной сигнал пропорционален паразитному световому сигналу водной среды. Второй выходной сигнал вычитается из первого.
Недостатком данного устройства и способа является то, что вычитается паразитный световой сигнал водной среды, а не паразитный «черенковский» световой сигнал, возникающий непосредственно в сцинтилляторе.
Наиболее близким к заявляемому является способ регистрации характеристик ионизирующего излучения и устройство для его осуществления (WO 02/075359, «Метод измерения дозы радиации ионизирующего излучения, способного создавать черенковское излучение», кл. G01Т 5/08 от 26.09.2002 г.). Устройство содержит сцинтиллятор, соединенный через волоконно-оптический канал с фотоприемными устройствами. Волоконно-оптический канал организован одиночным оптическим кабелем. Свет, появляющийся на конце оптического кабеля, противоположном тому концу, куда подключен сцинтиллятор, разделяется на два потока, и каждый поток фильтруется полосовым светофильтром, причем два светофильтра имеют различные спектральные диапазоны пропускания. Сигнал с первого фильтра пропорционален мощности дозы воздействующего на сцинтиллятор ионизирующего излучения, сигнал со второго фильтра пропорционален паразитному черенковскому световому сигналу сцинтиллятора. Световые сигналы с фильтров преобразуются в электрические в фотоприемниках, и каждый из них обрабатывается цифровым способом. Обработанный сигнал со второго фильтра вычитается из обработанного сигнала с первого фильтра.
Недостатком данной системы является невозможность регистрации наносекундных импульсов вследствие влияния хроматической дисперсии в оптическом кабеле и использования цифровой обработки сигналов.
Изобретением решается задача регистрации характеристик (формы) импульса ионизирующего излучения наносекундной длительности, сопровождающегося черенковским излучением, дающим паразитный вклад в свечение сцинтиллятора.
Техническим результатом при решении задачи является расширение функциональных возможностей способа и устройства за счет возможности определения формы импульса, мощности дозы, длительности сигнала, дозы за импульс в наносекундном диапазоне.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом регистрации характеристик ионизирующего излучения, включающим преобразование его в световой сигнал в сцинтилляторе, передачу сигнала по волоконно- оптическому каналу и раздвоение сигнала с последующим выделением из одного сигнала черенковского излучения, а из другого - сцинтилляционного излучения с долей черенковского путем пропускания каждого сигнала через свой узкополосный светофильтр, отличающийся один от другого спектральным диапазоном, преобразование сигналов в электрические, которые учитывают при обработке для определения характеристик ионизирующего излучения, новым является то, что обработку электрических сигналов осуществляют с помощью аналогового вычитающего устройства, где производят вычитание одного сигнала из другого с последующей регистрацией: формы полученного сигнала, дозы за импульс, длительности, максимальной мощности без влияния черенковского излучения, причем на любом участке прохождения одного из сигналов до его преобразования в электрический или после осуществляют задержку этого сигнала для синхронизации прихода обоих преобразованных электрических сигналов на аналоговое вычитающее устройство.
Указанный технический результат достигается также тем, что по сравнению с известным устройством регистрации характеристик ионизирующего излучения, содержащим сцинтиллятор, волоконно-оптический канал с раздвоением светового сигнала, два фотоприемника, причем на пути световых сигналов установлены два узкополосных светофильтра, один из которых обладает спектральной полосой, позволяющей пропускать свечение сцинтиллятора, а другой обладает спектральной полосой пропускания, отличной от спектральной полосы свечения сцинтиллятора, а
также подключенное к выходам фотоприемников вычитающее устройство и регистратор электрических сигналов, новым является то, что сцинтиллятор и фотоприемники имеют наносекундное временное разрешение, волоконно-оптический канал организован двумя параллельно расположенными оптическими кабелями, соединяющими сцинтиллятор и фотоприемники, кроме того, в устройство введен элемент задержки в виде дополнительного отрезка одного из оптических кабелей или в виде электрической линии задержки на выходе одного из фотоприёмников, а вычитающее устройство является аналоговым с наносекундным временным разрешением.
Светофильтры установлены в разрывах оптических кабелей.
В разрывах оптических кабелей дополнительно установлены вставки из прозрачного материала.
Фотоприемники выполнены на основе фотодиодов.
Для оперативного контроля работы ускорителей с наносекундной длительностью импульса целесообразно использовать устройство регистрации на основе сцинтиллятора, оптического кабеля и фотоприемников (монитор-дозиметр), малочувствительное к электромагнитным помехам и не требующее высоковольтных источников питания. При прохождении света по оптоволокну происходит уширение импульса вследствие хроматической дисперсии. Дисперсии в основном подвергается черенковская составляющая импульса вследствие широкого спектра черенковского излучения. При помощи узкополосных (с шириной полосы порядка 100 нм) монохроматических светофильтров с разными спектральными диапазонами пропускания выделяются две составляющие сигнала: одна из них представляет собой смешанное сцинтилляционное и черенковское излучение, а другая - только черенковское излучение. Вторая составляющая из-за отличающейся длины волны приходит с временным смещением относительно первой составляющей вследствие хроматической дисперсии. Для получения чисто сцинтилляционного отклика из первой составляющей вычитается вторая составляющая с учетом поправочного коэффициента, учитывающего конструкцию монитора-дозиметра. Для синхронизации прихода составляющих на вычитающее устройство используется временная задержка. Задержка осуществляется при помощи дополнительного отрезка одного из оптических кабелей или отрезка электрического кабеля на выходе одного из фотоприемников. Быстродействие сцинтиллятора, оптических кабелей, фотоприемников и регистратора должно характеризоваться временем меньшим, чем время смещения составляющих вследствие хроматической дисперсии, и быть не более 1 - 2 нc. Быстродействие может при необходимости обеспечиваться дополнительными вставками в разрыве оптического кабеля, выполненными из прозрачного материала, например из оргстекла, отсекающими медленные моды высокого порядка. При достаточной толщине светофильтров вставки могут не применяться, при этом моды высокого порядка отсекаются при помощи таких светофильтров в разрыве кабеля. Вычитающее устройство должно обладать наносекундным быстродействием и может быть выполнено на основе быстродействующего операционного усилителя.
Заявленный способ регистрации характеристик ионизирующего излучения реализуется в устройстве (волоконно-оптическом мониторе-дозиметре), структурная схема которого изображена на чертеже, где
1 - сцинтиллятор;
2 - оптический кабель;
3 - элемент задержки в виде дополнительного отрезка оптического кабеля;
4 - фиолетовый фильтр (пропускающий свечение сцинтиллятора);
5 - красный фильтр;
6 - первый фотоприемник;
7 - второй фотоприемник;
8 - электрическая линия задержки;
9 - вычитающее устройство;
10 - регистратор электрических сигналов.
Устройство регистрации характеристик ионизирующего излучения содержит сцинтиллятор 1, соединенный через два параллельных оптических кабеля (может использоваться двухжильный кабель) 2 с фотоприёмниками 6 и 7, причем в разрыв оптических кабелей установлены светофильтры 4 и 5. Оптический кабель, соединенный с фотоприемником 7, может иметь дополнительный отрезок 3. Выходы фотоприемников 6 и 7 соединены с вычитающим устройством 9, причем в одно из соединений может быть введена электрическая линия задержки 8. Выходной сигнал подается на вход регистратора электрических сигналов 10.
Устройство регистрации характеристик ионизирующего излучения работает следующим образом. Измеряемое ионизирующее излучение воздействует на сцинтиллятор 1, вызывая в нем свечение. Световой сигнал из сцинтиллятора проходит по двухжильному оптическому кабелю 2 и поступает с одной жилы через фиолетовый узкополосный светофильтр 4 на фотоприемник 6, а с другой жилы - через красный узкополосный фильтр 5 на фотоприемник 7. Далее при помощи вычитающего устройства 9 из сигнала с фотоприемника 6 вычитается задержанный сигнал с фотоприемника 7. Задержка сигнала в цепи красного светофильтра формируется на электрической линии задержки 8, вместо которой может использоваться дополнительный отрезок оптического кабеля 3. Разностный сигнал фиксируется регистратором электрических сигналов.
Устройство регистрации характеристик ионизирующего излучения реализовано в виде макета волоконно-оптического монитора-дозиметра. В макете использованы пластмассовый быстродействующий (длительность импульса на полувысоте 0,15 нc) сцинтиллятор СПС-Б18 и двухжильный пластмассовый оптический кабель марки EUD фирмы Avago с сердцевиной диаметром 1 мм. В качестве светофильтров использованы стеклянные фильтры на красителях типа ПС13 с полосой пропускания от 340 до 420 нм и КС11, обеспечивающий совместно с оптическим кабелем полосу от 600 до 710 нм. В фотоприемниках использованы PIN-фотодиоды ФД271 и субнаносекундные операционные усилители фирмы Texas Instruments типа THS4303. Линия задержки на 2 нс выполнена на отрезке коаксиального кабеля. Вычитающее устройство выполнено на субнаносекундном операционном усилителе фирмы Texas Instruments типа OPA695. В качестве регистратора формы выходного импульса использован скоростной запоминающий осциллограф фирмы LeCroy типа WM8500A.
Благодаря применению заявляемого способа в волоконно-оптическом мониторе- дозиметре появилась возможность с повышенной точностью за счет исключения доли черенковской помехи измерять характеристики импульсного ионизирующего излучения наносекундной длительности. Измеряются следующие характеристики импульса излучения: форма, длительность, доза за импульс, максимальная мощность дозы.
1. Способ регистрации характеристик ионизирующего излучения, включающий преобразование его в световой сигнал в сцинтилляторе, передачу сигнала по волоконно- оптическому каналу и раздвоение сигнала с последующим выделением из одного сигнала черенковского излучения, а из другого - сцинтилляционного излучения с долей черенковского путем пропускания каждого сигнала через свой узкополосный светофильтр, отличающийся один от другого спектральным диапазоном, преобразование сигналов в электрические, которые учитывают при обработке для определения характеристик ионизирующего излучения, отличающийся тем, что обработку электрических сигналов осуществляют с помощью аналогового вычитающего устройства, где производят вычитание одного сигнала из другого с последующей регистрацией: формы полученного сигнала, дозы за импульс, длительности, максимальной мощности без влияния черенковского излучения, причем на любом участке прохождения одного из сигналов до его преобразования в электрический или после осуществляют задержку этого сигнала для синхронизации прихода обоих преобразованных электрических сигналов на аналоговое вычитающее устройство.
2. Устройство регистрации характеристик ионизирующего излучения, содержащее сцинтиллятор, волоконно-оптический канал с раздвоением светового сигнала, два фотоприемника, причем на пути световых сигналов установлены два узкополосных светофильтра, один из которых обладает спектральной полосой, позволяющей пропускать свечение сцинтиллятора, а другой обладает спектральной полосой пропускания, отличной от спектральной полосы свечения сцинтиллятора, а также подключенное к выходам фотоприемников вычитающее устройство и регистратор электрических сигналов, отличающееся тем, что сцинтиллятор и фотоприемники имеют наносекундное временное разрешение, волоконно-оптический канал организован двумя параллельно расположенными оптическими кабелями, соединяющими сцинтиллятор и фотоприемники, кроме того, в устройство введен элемент задержки в виде дополнительного отрезка одного из оптических кабелей или в виде электрической линии задержки на выходе одного из фотоприемников, а вычитающее устройство является аналоговым с наносекундным временным разрешением.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что светофильтры установлены в разрывах оптических кабелей.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в разрывах оптических кабелей дополнительно установлены вставки из прозрачного материала.
5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фотоприемники выполнены на основе фотодиодов.
