УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФОРМЫ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для дистанционного контроля в реальном времени радиоактивных и оптических объектов, в том числе и объектов малой активности.

Известны устройства для локализации радиоактивных источников с использованием камеры - обскуры [1, 2]. В них в камере, стенки которой образуют защитный экран от излучений, напротив обскуры после оптического затвора, прозрачного для излучения источников, размещается пленка. Изображение радиоактивных источников, создаваемое обскурой, регистрируется сначала на пленке, чувствительной к видимому свету из зоны, в которой находятся радиоактивные источники. После проявления и наложения этих пленок источники излучения могут быть локализованы в окружающей среде. Известны также устройства для локализации радиоактивных источников в реальном времени, например, описанные в патентах США [3, 4].

Наиболее близким техническим решением является устройство [3], (патент США N 5204533, 250/361R) для определения радиоактивных источников в реальном времени, содержащее камеру - обскуру с защитным экраном, оптический затвор, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, синхронизатор, микропроцессор. В устройстве [3] вместо пленок используется довольно сложная система регистрации изображений в реальном времени, содержащая сцинтиллятор, электронно-оптический преобразователь ЭОП, телевизионную (ТВ) камеру и средства цифровой обработки и визуализации изображений. Изображение источников в собственном излучении, создаваемое обскурой, преобразуется в сцинтилляторе в видимое изображение, которое проецируется на фотокатод ЭОП. Усиленное изображение с выходного экрана ЭОП при помощи ТВ камеры преобразуется в электрический сигнал, который передается на расстояние и обрабатывается. Оптическое изображение источников при открытом затворе через прозрачный в оптическом диапазоне длин волн сцинтиллятор формируется обскурой на фотокатоде ЭОП. Последующие преобразования этого изображения и передача электрического сигнала аналогичны описанным выше. Изображения после обработки могут быть наложены друг на друга и представлены на экране видеоконтрольного устройства.

Недостатком этого устройства является многократное интегральное преобразование энергии в его блоках. В сцинтилляторе излучение источников преобразуется в световые вспышки - сцинтилляции, которые при попадании на фотокатод ЭОП преобразуются в поток электронов. Энергия электронов затем преобразуется в свечение флюоресцентного экрана ЭОП, а свечение экрана - в электрические сигналы при помощи ТВ камеры. Следствием указанных интегральных преобразований является недостаточная чувствительность устройства, а следствием электронно-оптической регистрации и телевизионной передачи изображений - их геометрические искажения.

Устройство имеет недостаточную чувствительность к слабоинтенсивному излучению источников малой активности, обусловленную интегральным преобразованием энергии. Регулировка чувствительности осуществляется путем подбора и замены сцинтилляторов из разных материалов. При замене сцинтилляторов должны быть учтены различия их эффективности, прозрачности и толщины и качество оптического контакта.

Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение геометрических искажений регистрации формы источника и повышение чувствительности при обеспечении широкого динамического диапазона регистрации. Технический результат в устройстве для регистрации формы и пространственного положения источников ионизирующего излучения, содержащем камеру-обскуру с защитным экраном, оптический затвор с управлением от микропроцессора, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, синхронизатор, микропроцессор, достигается тем, что в устройство введена ПЗС-матрица, связанная с волоконно-оптическим преобразователем (ВОП) со сцинтилляционными волокнами, блоки запоминания цифровых массивов и обтюратор, периодически перекрывающий отверстие камеры-обскуры, и установленный таким образом, чтобы траектория движения центров отверстий обтюратора проходила вблизи центра отверстия камеры обскуры, обтюратор связан с синхронизатором, выходы которого через блок управления соединены с управляющими входами ПЗС матрицы, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, информационный выход ПЗС матрицы через АЦП соединен с информационными входами микропроцессора, информационные выходы и входы которого соединены с соответствующими входами блоков запоминания массивов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в реализации счетного режима регистрации фотонов регистрируемого излучения и использовании более совершенного позиционно - чувствительного детектора - ПЗС матрицы - с одновременным устранением его возможных недостатков, связанных с темновым током, т.е. в очищении ячеек ПЗС матрицы от темновых зарядов.

Поскольку требуемый для обеспечения хорошего пространственного разрешения устройства размер отверстия в камере-обскуре достаточно мал, соответственно невелико и количество регистрируемых устройством в единицу времени квантов излучения. Возможность повышения чувствительности за счет увеличения времени регистрации ограничена, поскольку пропорционально времени накопления изображения в ячейках ПЗС матрицы нарастают темновые заряды, генерируемые дефектами кристаллической решетки материала ПЗС матрицы. Величина темнового сигнала, пренебрежимо малая при малых временах регистрации, с увеличением времени накопления ограничивает динамический диапазон регистрации. При достаточно большом времени накопления темновые заряды могут полностью заполнить образующие матрицу потенциальные ямы и, таким образом, привести к потере чувствительности устройства. Скорость заполнения потенциальных ям темновыми зарядами зависит от температуры материала матрицы. При большом времени регистрации температура матрицы может измениться в течение цикла регистрации, что затрудняет отделение информационного сигнала от темнового.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1. Возможная конструкция обтюратора показана на фиг. 2. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, показаны на фиг 3.

Принятые обозначения. Источник излучения 1, камера обскура 2, обтюратор 3, ПЗС матрица 4, блок управления 5, аналого-цифровой преобразователь 6, синхронизатор 7, микропроцессор 8, блоки запоминания цифровых массивов 9, 10, 11, 12. ПЗС матрица соединена с ВОП 13 со сцинтилляционными волокнами. Оптический затвор, управляемый от микропроцессора 8, обозначен позицией 14. Блок 9 предназначен для запоминания информации, соответствующей зарядам, накопленным ПЗС матрицей от регистрируемого излучения с наложенной темновой составляющей и процесса, описанного выше (первая регистрация). Блок 10 предназначен для запоминания информации. соответствующей темновому заряду (темновой составляющей) ПЗС матрицы (вторая регистрация), блок 11 - для запоминания информации, соответствующей разности между первой и второй регистрацией, блок 12 - для запоминания информации, полученной в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Микропроцессор 8 имеет математическое обеспечение, выполняющее функции логического управления работой устройства, а также функции математической обработки регистрируемого сигнала, вычитания темновой составляющей сигнала (определение разности между первой и второй регистрацией), поэлементного сложения информации, записанной в блоке 11, с информацией, записанной в блоке 12, и представления цифровых данных для визуализации формы и пространственного положения источников ионизирующего излучения. На видеоконтрольном устройстве или мониторе, на чертеже не представленном, можно видеть изображение формы источников ионизирующего излучения и их пространственного расположения на объекте, изображение которого фиксируется в оптическом диапазоне спектра.

Обтюратор может быть выполнен в виде закрепленного на вращающейся оси диска (см. фиг. 2) из непрозрачного для регистрируемого излучения материала с отверстиями, с электроприводом и датчиком угла поворота диска. Отверстия обтюратора расположены на одинаковом удалении от оси вращения диска в каждом из N одинаковых по размеру секторов, на которые можно условно разделить поверхность диска, за исключением, как минимум, одного сектора, в котором отверстие отсутствует (так называемый непрозрачный сектор). Для того, чтобы обеспечить совпадение центра тяжести диска с осью вращения, число непрозрачных секторов должно быть сделано четным, с диаметрально противоположным расположением каждой пары непрозрачных секторов относительно оси вращения диска. Обтюратор устанавливается таким образом, чтобы траектория движения центров отверстий обтюратора при вращении диска проходила вблизи центра отверстия камеры обскуры. Диаметр отверстия обтюратора L существенно больше диаметра отверстия обскуры M и таким образом, не влияет на разрешающую способность устройства. Расстояние между краями соседних отверстий обтюратора К меньше диаметра отверстий обтюратора L, но несколько больше диаметра отверстия обскуры M: L > K > M.

При закрытом оптическом затворе 14 в ячейках матрицы ПЗС накапливаются заряды, образующиеся при поглощении световых квантов, возникающих в материале ВОП 13 при взаимодействии с поступающим через отверстие камеры обскуры регистрируемым ионизирующим излучением, т.е. устройство регистрирует форму и пространственное положение источников ионизирующего излучения, а также может использоваться для измерения интенсивности этих источников. При открытом оптическом затворе 14, кроме того, в ячейках ПЗС матрицы накапливаются заряды, возникающие под действием поступающих через отверстие камеры - обскуры квантов видимого и ближнего инфракрасного светового излучения, полностью поглощаемых в фоточувствительном слое ПЗС-матрицы. Чувствительность ПЗС-матрицы к световому излучению существенно выше, чем к более жесткому рентгеновскому или гамма-излучению, поэтому можно считать, что при открытом оптическом затворе устройство регистрирует только оптическое изображение, фиксируемое микропроцессором в цифровом виде, т.е. устройство регистрирует форму и пространственное расположение наружных кожухов источников ионизирующего излучения и других предметов, находящихся в поле зрения устройства. При последующей программной обработке зарегистрированное изображение совмещается с изображением, полученным при закрытом оптическом затворе (т.е. с рентгеновским и тому подобным изображением источников излучения), воспроизводится на видеоконтрольном устройстве или мониторе компьютера и т.д., т.е. устройство регистрирует форму и пространственное расположение источников ионизирующего излучения, в том числе их расположение относительно оптически непрозрачных элементов конструкции самих источников, таких как ампулы, кожухи и т.п., и положение относительно других предметов, находящихся в поле зрения устройства.

Благодаря введенным блокам и связям чувствительность устройства повышается, что позволяет производить регистрацию источников ионизирующего излучения малой интенсивности, а также регистрировать оптическое изображение источников ионизирующего излучения практически без освещения.

Работа устройства происходит следующим образом. При вращении диска обтюратора 3 ПЗС матрица 4 периодически экспонируется регистрируемым излучением через отверстие в камере-обскуре 2. Интервалы перекрытия потока регистрируемого излучения показаны на фиг. 3а, они соответствуют T и T_LK. По сигналам синхронизатора 7 блок управления 5 подает на ПЗС матрицу 4 управляющие сигналы таким образом, что в интервале совпадения отверстия обтюратора с отверстием в камере-обскуре ПЗС матрица находится в режиме накопления зарядов, образуемых квантами регистрируемого излучения (интервалы H на фиг. 3б). В интервале перекрытия отверстия обскуры непрозрачным промежутком между отверстиями обтюратора происходит считывание накопленных в ячейках ПЗС матрицы 4 зарядов, их оцифровка аналого-цифровым преобразователем 6 и запись с помощью микропроцессора 8 полученного цифрового массива в блок запоминания 9 (интервалы C на фиг 3в). Поскольку в этих временных интервалах регистрируемое излучение на ПЗС матрицу не попадает, исключается появление "смаза" изображения при перемещении соответствующих ячейкам матрицы потенциальных ям в процессе считывания зарегистрированных сигналов. В интервале перекрытия отверстия обскуры непрозрачным сектором обтюратора в ячейках ПЗС матрицы происходит процесс накопления только темновых зарядов, поскольку регистрируемое излучение на ПЗС матрицу не попадает (интервал T на фиг. 3б).

Временные интервалы H накопления зарядов, образуемых при воздействии ионизирующего излучения, равны временным интервалам T накопления темновых зарядов, образуемых при совпадении непрозрачного отверстия в обтюраторе с отверстием камеры обскуры, т.е. T=H.

По сигналам синхронизатора 7 в этом цикле (интервал CT на фиг. 3в) блок управления 5 подает на ПЗС - матрицу сигналы, аналогичные описанным выше (интервал C на фиг. 3в). С аналого-цифрового преобразователя 6 цифровой массив с помощью микропроцессора 8 записывается в блок запоминания 10. При дальнейшем вращении обтюратора описанные процессы повторяются, при этом каждый раз при совпадении отверстия обскуры с отверстием обтюратора обновляется содержимое блока запоминания 9 (интервалы OC на фиг. 3г), а при совпадении отверстия обскуры с непрозрачным сектором обтюратора обновляется содержимое блока запоминания 10 (интервал OT на фиг. 3г). После каждого цикла считывания информации, соответствующей прозрачному сектору обтюратора (интервал B на фиг. 3д) из цифрового массива блока 9 с помощью микропроцессора 8 поэлементно вычитается цифровой массив блока 10, а полученный разностный цифровой массив поэлементно добавляется к массиву, имеющемуся в блоке запоминания 11. Поскольку времена накопления T и H равны (фиг. 3б), а изменением температуры в течение времени одного оборота диска обтюратора практически можно пренебречь, то в блоке запоминания 11 суммируются очищенные от темновой составляющей сигналы изображения, т.е. в каждой из ячеек ПЗС-матрицы 4 реализуется счетный режим регистрации одиночных фотонов регистрируемого излучения с преобразованием в числовой массив в блоке запоминания 11. Таким образом, при закрытом оптическом затворе 14 накапливаются сигналы изображения источников ионизирующего излучения в блоке 11 и регистрируется форма источников ионизирующего излучения. При открытом оптическом затворе 14 регистрируются сигналы изображения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра и записываются в блоке запоминания 12, т.е. регистрируется пространственное расположение источников ионизирующего излучения относительно других предметов и конструктивных элементов, находящихся в поле зрения устройства.

Поскольку управление состоянием оптического затвора 14 осуществляется от микропроцессора 8, легко реализуется автоматическое программное управление временем экспозиции как оптического изображения, так и изображения источников ионизирующего излучения в зависимости от величины регистрируемых сигналов, а также управление переключением записи регистрируемого излучения с вычтенной темновой составляющей в блоке 11 и записи изображения в оптическом диапазоне в блоке 12 с последующим их наложением в видеоконтрольном устройстве. Период открытия (закрытия) оптического затвора 14 задается микропроцессором (на диаграммах не показан).

Благодаря введенным узлам блока и связям предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет существенно меньшие геометрические искажения изображения, существенно более высокую чувствительность и более широкий динамический диапазон регистрации за счет исключения темновой составляющей видеосигналов.

Единственно влияющим "шумовым " фактором в этом случае остается погрешность квантования аналого-цифрового преобразователя 6 (±1 единица младшего разряда АЦП), которая при многократном сложении цифровых массивов в блоке запоминания 11 будет сглаживаться, однако полностью устранить ее влияние невозможно, и накопление шума неизбежно будет ограничивать общее число суммируемых в блоке 11 цифровых массивов, т.е. будет ограничиваться и достижимый коэффициент увеличения чувствительности регистрации.

Приняв в качестве критерия ограничение числа суммируемых в блоке 11 числовых массивов, возможное заполнение суммарным шумовым сигналом не более половины динамического диапазона регистрации, можно оценить реально достижимый коэффициент увеличения чувствительности устройства. Так, при восьмиразрядном АЦП (256 цифровых градаций яркости) возможный коэффициент увеличения чувствительности достигает 10². При шестнадцатиразрядном АЦП, вполне реализуемом при сравнительно малых скоростях оцифровки, необходимых для регистрации неподвижных источников излучения, возможный коэффициент увеличения чувствительности составляет 3•10⁴.

Использованные источники информации.

1. Патент США N 3107276 10/1963 Cohen НКИ 358/110
2. Патент США N 4797701 1/1989 Lannes НКИ 354/288
3. Патент США N 5204533 4/1993 Simonet НКИ 250/361R (прототип)
4. Патент США N 5557107 9/1996 Carcreff and Thellier МКИ G 01 T 1/29б

Использование: для дистанционного контроля в реальном времени радиоактивных и оптических объектов, в том числе и объектов малой интенсивности. Технический результат: уменьшение геометрических искажений регистрации формы источника и повышение чувствительности при обеспечении широкого динамического диапазона регистрации. Сущность: реализация счетного режима регистрации фотонов регистрируемого излучения и использование более совершенного позиционно - чувствительного детектора - ПЗС - матрицы с одновременным устранением его возможных недостатков, связанных с темновым током, т.е. в очищении ячеек ПЗС матрицы от темновых зарядов. 3 ил.

Устройство для регистрации формы и пространственного положения источников ионизирующего излучения, содержащее камеру-обскуру с защитным экраном, оптический затвор с управлением от микропроцессора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления (БУ), синхронизатор, микропроцессор, отличающееся тем, что в устройство введена ПЗС-матрица, связанная с волоконно-оптическим преобразователем (ВОП), блоки запоминания цифровых массивов и обтюратор, промежутки между отверстиями которого выполнены из непрозрачного для ионизирующего излучения материала, периодически перекрывающий отверстие камеры-обскуры и установленный таким образом, чтобы траектория движения центров отверстий обтюратора проходила вблизи центра отверстия камеры обскуры, обтюратор связан с синхронизатором, выходы которого через БУ соединены с управляющими входами ПЗС, АЦП и микропроцессора, а информационный выход ПЗС соединен с информационными входами микропроцессора через АЦП, информационные выходы и входы микропроцессора соединены с соответствующими входами блоков запоминания массивов.