Способ восстановления спектральных распределений тормозного излучения по профилю полей вторичного излучения

Изобретение относится к области измерения энергетических спектров. Сущность изобретения заключается в том, что способ восстановления спектральных распределений тормозного излучения по профилю полей вторичного излучения дополнительно содержит этапы, на которых осуществляют облучение протяженного вдоль направления первичного пучка излучения цилиндрического рассеивающего тела, регистрируют распределение фотонов вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела позиционно-чувствительным детектором и по форме полученного распределения восстанавливают спектральный состав первичного пучка излучения. Технический результат – обеспечение возможности измерения энергетических спектров импульсных пучков излучения и наблюдения динамики изменения спектральных распределений. 4 ил.

 

Предлагаемый способ восстановления спектральных распределений тормозного излучения по профилю полей вторичного излучения предназначен для измерения энергетических спектров без использования спектрометрических детекторов и может применяться, например, при решении задач диагностики импульсных пучков излучения высокой интенсивности.

Известно устройство для измерения энергетических спектров, основанное на абсорбции тормозного излучения совокупностью расположенных друг за другом вдоль линии распространения излучения плоских элементов, выполненных из разных сцинтилляторов, излучение которых выводится в направлении позиционно-чувствительного детектора, находящегося вне поля облучения [Микеров В.И., Кошелев А.П. Рентгеновский анализатор. Патент на изобретение №2504756. Россия. Опубликовано: 20.01.2014 Бюл. №2].

Известно также устройство для измерения энергетических спектров, основанное на абсорбции тормозного излучения линейным многоканальным детектором из арсенида галлия, размещаемым в пучке так, что излучение проникает в детектор поперек каналов детектирования и затухает по мере распространения в активной области детектора, теряя энергию на ионизацию среды, регистрируемую распределенной системой электродов, находящейся вне поля облучения [Лелюхин А.С., Пискарёва Т.И., Корнев Е.А. Неклассический рентгеновский спектрометр на основе линейного многоканального детектора // Прикладная физика. - 2018. - №2. - С. 90-96].

Эти решения обеспечивают возможность получения экспериментальных данных для измерения спектральных распределений в прямых пучках излучения, однако не учитывают возбуждение вторичного излучения, влияющего на результаты измерений и приводящего к искажению восстанавливаемых спектральных распределений.

Известно также устройство для измерения энергетических спектров, основанное на возбуждении вторичного излучения рассеивающим телом, располагаемым в первичном пучке, и регистрации вторичного излучения за фильтрами разной толщины детекторами, установленными вокруг рассеивающего тела в плоскости, перпендикулярной первичному пучку и вне его поля облучения [Mainardi R.T., Bonzi E.V. An indirect method of X-ray spectra measurement by simultaneous attenuations of the scattered beam // Radiation Physics and Chemistry. - 2008. - Т. 77. - №5. - С. 537-544].

Это решение позволяет получать результаты измерений при существенно меньшем облучении детекторов, однако не учитывает изменений профиля поля вторичного излучения вдоль линии распространения первичного пучка излучения.

Наиболее близким по технической сущности является способ и устройство для измерения энергетических спектров, описанные в работе [Mainardi R.T., Barrea R.A. X-ray spectral determination by successive modifications of the beam intensity // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 1989. - Т. 280. - №2-3. - С. 387-391]. Это решение учитывает изменения профиля поля вторичного излучения и позволяет оценивать спектральный состав первичного пучка излучения и заключается в том, что в поле первичного пучка размещается рассеивающее тело, а измерения осуществляются в поле вторичного излучения под различными углами к первичному пучку путем углового перемещения детектора, вне поля излучения первичного пучка, ограниченного коллиматорами. Энергетический спектр первичного пучка излучения восстанавливается по дозовому профилю, измеренному вдоль дуговой координаты в поле вторичного излучения, путем поиска параметров приближающей функции методом наименьших квадратов.

Данный способ измерения энергетических спектров по эмпирическому распределению фотонов вторичного излучения от угла рассеяния не применим для импульсных пучков и не позволяет судить о динамике изменения спектральных распределений в течение длительности импульса источника излучения, так как предполагает последовательные во времени измерения в разных точках пространства.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности измерения энергетических спектров импульсных пучков излучения и наблюдения динамики изменения спектральных распределений за счет регистрации фотонов вторичного излучения позиционно-чувствительным детектором одновременно в нескольких точках пространства вдоль образующей цилиндрического рассеивающего тела за время τ, меньшее или равное длительности импульса источника излучения t.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, достигается тем, что в известном способе для измерения энергетических спектров рассеивающее тело облучают проникающим излучением, регистрируют фотоны вторичного излучения вне поля первичного пучка вдоль дуговой координаты и по полученной эмпирической зависимости восстанавливают энергетический спектр первичного пучка, осуществляют облучение протяженного вдоль направления первичного пучка излучения цилиндрического рассеивающего тела, регистрируют распределение фотонов вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела позиционно-чувствительным детектором и по форме полученного распределения восстанавливают спектральный состав первичного пучка излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 - схема регистрации профиля поля вторичного излучения, где 1 - источник импульсного проникающего излучения; 2 - коллиматор, ограничивающий поле первичного пучка излучения; 3 - цилиндрическое рассеивающее тело, протяженное вдоль линии распространения первичного излучения; 4 - позиционно-чувствительный детектор, регистрирующий фотоны вторичного излучения; 5 - направление распространения первичного пучка излучения.

На фиг. 2 - аппаратурная функция, характеризующая отклик схемы регистрации на моноэнергетическое излучение в случае использования рассеивающего тела из алюминия.

На фиг. 3 - профиль поля вторичного излучения рассеивающего тела из алюминия, полученный в вычислительном эксперименте для первичного пучка, возбуждаемого рентгеновской трубкой с вольфрамовым анодом при анодном напряжении 150 кВ и полной фильтрации 2 мм алюминия.

На фиг. 4 - исходное и восстановленное спектральные распределения в вычислительном эксперименте для первичного пучка, возбуждаемого при анодном напряжении 150 кВ и полной фильтрации 2 мм алюминия, где 6 - исходное спектральное распределение; 7 - восстановленное спектральное распределение.

Суть способа измерений заключается в следующем: в первичном пучке излучения, возбуждаемом источником 1, вдоль направления его распространения 5 размещается протяженное цилиндрическое рассеивающее тело 3 из гомогенного материала с эффективным атомным номером Z_eff , вне поля первичного пучка ограниченного, например, коллиматором 2, вдоль образующей рассеивающего тела размещается линейный позиционно-чувствительный детектор 4, регистрирующий фотоны вторичного излучения и координаты их вылета, определяемые пространственным положением отдельных каналов регистрации детектора. В качестве детекторов могут использоваться, например, многоэлементные микрополосковые детекторы на основе арсенида галлия, описанные в [Толбанов О.П. Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия // Вестник Томского государственного университета. 2005. №285. С. 155-163]. В результате воздействия фотонов вторичного излучения в линейном позиционно-чувствительном детекторе формируется распределение сигналов, соответствующее профилю поля вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела. По экспериментально регистрируемым профилям поля вторичного излучения, т.е. по данным о пространственном распределении фотонов вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела, восстанавливают спектральный состав первичного пучка излучения. Для восстановления спектрального состава излучения реализуют итерационный процесс, используя итерационную формулу

,

где - интенсивность i спектральной линии, вычисленная на итерации n; - аппаратурная функция схемы регистрации (матрица реконструкции, рассчитанная как отклик схемы регистрации на фотоны моноэнергетического излучения; l - число интервалов дискретизации по пространственной координате; j - число интервалов квантования по энергии); - профиль поля вторичного излучения (совокупность сигналов, зарегистрированных линейным позиционно-чувствительным детектором).

Число интервалов дискретизации определяется количеством каналов регистрации детектора, а число интервалов квантования - принятыми шагом квантования и граничным значением энергии в спектре излучения.

Итерационная формула записана для конкретной решаемой задачи - восстановления энергетического спектра первичного пучка по данным о пространственном распределении фотонов вторичного излучения, исходя из известного метода решения обратных задач, основанного на теореме Байеса и на формуле полной вероятности, описанного, например, в [Теребиж В.Ю. Введение в статистическую теорию обратных задач. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 376 с.].

Практическое использование способа измерения согласно изобретению для восстановления спектральных распределений подтверждается результатами вычислительного эксперимента на примере спектров излучения рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом.

В вычислительном эксперименте решалась прямая задача определения отклика схемы регистрации на излучение заданного спектрального состава. Методом Монте-Карло разыгрывалось взаимодействие 10⁶ фотонов первичного пучка излучения, имеющих энергетическое распределение, заданное вектором (фиг. 4, 6). В результате формировалось пространственное распределение фотонов вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела - профиль поля вторичного излучения (фиг. 3). Для формирования аппаратурной функции рассчитывался отклик схемы регистрации на моноэнергетическое излучение в диапазоне энергий фотонов от 1 до 150 кэВ с шагом 1 кэВ (фиг. 2).

Обратная задача заключалась в реализации итерационного процесса для начального приближения распределения спектра излучения, заданного вектором . После выполнения условия выхода из итерационного процесса фиксировалось распределение фотонов первичного пучка излучения по энергии (фиг. 4, 7).

Облучение проникающим излучением протяженного вдоль направления первичного пучка излучения цилиндрического рассеивающего тела, регистрация фотонов вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела позиционно-чувствительным детектором, формирование профиля поля вторичного излучения и восстановление спектрального распределения путем реализации итерационного процесса, выгодно отличает предложенный способ восстановления спектральных распределений тормозного излучения по профилю полей вторичного излучения от указанного прототипа, так как позволяет получать массив экспериментальных данных, достаточный для восстановления спектральных распределений, за время τ, меньшее или равное длительности импульса источника излучения t, а при - многократно рассчитывать спектр и оценивать динамику изменения спектрального состава излучения в течение экспозиции.

Способ восстановления спектральных распределений тормозного излучения по профилю полей вторичного излучения, включающий облучение рассеивающего тела проникающим излучением, регистрацию фотонов вторичного излучения вдоль дуговой координаты вне поля первичного пучка излучения, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра первичного излучения, отличающийся тем, что осуществляют облучение протяженного вдоль направления первичного пучка излучения цилиндрического рассеивающего тела, регистрируют распределение фотонов вторичного излучения вдоль образующей рассеивающего тела позиционно-чувствительным детектором и по форме полученного распределения восстанавливают спектральный состав первичного пучка излучения.