УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА α-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01T1/205 

Изобретение относится к устройству и способу дистанционного обнаружения и отображения источников α-частиц, то есть частиц, энергия которых обычно меньше чем 10 мэВ.

Изобретение может быть использовано в области радиационной защиты для того, чтобы обнаружить радиоактивные источники на поверхности или внутри объема.

Устройство, объект изобретения, может применяться в других многочисленных областях, как, например, вывод из эксплуатации ядерных установок, операциях демонтажа и технического обслуживания, радиоактивная инвентаризация, операции после аварии или в качестве помощи операторам относительно следования выполняемого процесса.

Изобретение также находит применения в обнаружении утечек радиоактивных газов и обнаружении присутствия радиоактивного газа (в частности радона) или радиоактивного загрязнения в виде аэрозоли.

Обычным образом изобретение, по существу, относится к обнаружению и определению местоположения радиации сильно ионизированных частиц (с высоким линейным переносом энергии).

Состояние предшествующего уровня техники
α-излучение является естественной радиоактивностью, наиболее часто происходящей во время разделения ядра, атомная масса которого больше чем 200. Это происходит посредством испускания α-частиц, которые являются дважды ионизированными атомами гелия.

Детекторы частиц обычно выдают информацию, получающуюся в результате взаимодействия частиц, которые проходят через них, с чувствительной частью последних.

Когда α-частица проходит через среду, она испытывает потерю энергии, по существу, благодаря ионизации и возбуждению среды, через которую она проходит. Эффект диффузии и излучения Бремстралунга оказывается незначительным.

Ионизацию можно понимать как удаление одного или более электронов из первоначально нейтрального атома. Удаляемый электрон может оставаться свободным или может присоединяться к другому атому и образовывать отрицательный ион.

Два главных эффекта начинают действовать во время создания этих пар положительных и отрицательных ионов: около 1/3 ионизаций производятся первичной ионизацией, то есть прямым взаимодействием с α-частицами, при этом остальные 2/3 создаются вторичной ионизацией, производимой быстрыми электронами, испускаемыми во время первичной ионизации. Эти быстрые электроны носят название "β-лучи".

Как указывалось ранее, прохождение α-частицы в среде может также выражаться простым возбуждением среды.

Атом считается возбужденным, когда он переходит из устойчивого энергетического состояния в состояние более высокой энергии. Энергия возбуждения, однако, является недостаточной для удаления электрона. Обычно энергия, расходуемая при возбуждении, впоследствии рассеивается либо не радиационным образом, то есть в виде тепловой энергии колебания или смещения, или радиационным образом, то есть испусканием фотонов.

Среда, в которой значительная часть поглощаемой энергии освобождается радиационным образом через испускание фотонов, называется сцинтиллятором.

Следовательно, известные детекторы α-частиц обычно содержат твердую или жидкую сцинтиллирующую среду, которая допускает "преобразование" α-излучения в фотоны и систему фотоумножителя или чувствительную поверхность для обнаружения фотонов, испускаемых сцинтиллятором.

Однако эти детекторы не допускают дистанционного обнаружения источника α-излучения. В сущности, свободная длина пробега α-частиц в воздухе очень мала и необходимо доставлять детектор в непосредственную близость от источника для того, чтобы проводить измерения.

Сцинтилляторы необязательно являются твердыми телами или жидкостями. Они также могут быть в газообразном виде.

Сцинтилляция газов, возбуждаемых ядерными частицами, известна с начала исследования в радиоактивности, но это было только в 1951 году, благодаря использованию фотоумножителей, что излучение явления эмиссии, связанного с прохождением частицы внутри газа, могло быть предпринято Грюном и Шоппером. Годом позже К. Мюельхауз использовал газ в качестве сцинтиллятора в ядерной физике.

Выполнены многочисленные исследования сцинтилляторов из инертных газов. В сущности, в любом газе атомы могут взаимодействовать друг с другом и таким образом передавать часть их энергии возбуждения. Если атом является сложной молекулой, передача энергии может происходить в виде тепловой энергии колебания или вращения, таким образом не создавая никакого испускания света. С другой стороны, инертные газы благодаря их высокоустойчивой электронной структуре могут только передавать энергию одного возбужденного атома к другому во время столкновения.

Исследования показали, что воздух также имеет сцинтилляционные свойства и что спектр воздуха, возбуждаемого источниками α-излучения, составляется из ряда полос, идентичных полосам, наблюдаемым в спектре излучения азота.

Аргон, присутствующий в воздухе, имеет отличные свойства излучения, но очень низкое присутствующее количественное соотношение означает, что его вклад в люминесценцию воздуха является незначительным.

Кислород в воздухе не излучает флуоресценцию, а наоборот действует как гасящее вещество. В сущности, даже малое количество кислорода, смешанного с газом, может препятствовать его сцинтилляционным свойствам. В качестве примера, присутствие 2% кислорода в смеси кислорода и ксенона вызывает уменьшение порядка 70% амплитуды сцинтилляции ксенона.

Воздух из-за его гасящего свойства имеет очень низкий выход сцинтилляции. Выход сцинтилляции составляет только несколько фотонов на α-частицу.

В чистом азоте число испускаемых фотонов значительно больше, чем число фотонов, испускаемых в воздухе. Однако сцинтилляционное свойство остается значительно слабым.

Таблица 1 показывает, что давление газа также является важным параметром для эффекта сцинтилляции газов, в частности азота.

Таблица 1 дает пример числа фотонов, испускаемых α-частицей как функции давления газа сцинтиллятора (азота) для источника излучения частиц.

Очевидно, что полное число фотонов уменьшается с повышением давления. Это благодаря тому факту, что при высоком давлении число столкновений между атомами и молекулами газа увеличивается. Увеличение числа столкновений вызывает большую потерю нерадиационной энергии.

Из-за плохих сцинтилляционных свойств азота и, в частности, воздуха и высокой стоимости инертных газов единственное использование газов в качестве сцинтилляторов ограничивается экспериментальными счетными приборами.

Документы 1 и 2, ссылки на которые даются в конце этого описания, дают примеры установок обнаружения, которые используют газ, такой как, например, азот в качестве сцинтиллятора. В этих установках источник и сцинтиллятор располагаются вблизи детектора, как, например, фотографической камеры или фотоумножителя, так, чтобы выполнять отсчеты или спектроскопические исследования люминесценции газового сцинтиллятора.

Документ 3, ссылка на который также дается в конце описания, констатирует, что ни азот, ни воздух не представляют практического интереса в качестве сцинтиллятора. Присутствие азота в сцинтилляционном счетчике, использующем инертный газ, даже считается нежелательным.

Изложение изобретения
Изобретение происходит из удивительного факта, обнаруженного изобретателями, что, несмотря на очень плохие сцинтилляционные свойства азота и, прежде всего, смеси азот-кислород, как, например, воздуха, возможно использовать эти газы в качестве сцинтиллятора для дистанционного обнаружения радиоактивных источников, испускающих тяжелые зараженные частицы.

Под дистанционным обнаружением понимается, что это происходит на расстоянии от источника, которое может быть очень в значительной степени больше, чем длина пробега α-частиц в газе или в воздухе (которая равна нескольким сантиметрам).

В сущности, изобретение относится к способу дистанционного обнаружения источников α-частиц в окружающей среде, в которой используют газ, содержащий азот, для заполнения окружающего пространства для того, чтобы преобразовывать α-частицы, испускаемые источником в фотонное излучение, длина волны которого находится, например, в ультрафиолетовом диапазоне; и в котором изображение упомянутого излучения формируется на фоточувствительной поверхности.

Хотя изображение не ограничивается случаем, где фотонное излучение имеет длину волны в ультрафиолетовом диапазоне, это излучение будет обозначаться УФ-излучение в описании, которое следует, по причинам упрощения.

Обнаружение источников α-частиц отличается от простого обнаружения α-частиц, особенно в том, что источники необязательно располагаются под детектором или близко к нему, а распределены внутри окружающей среды. Обнаружение состоит, например, из определения и отображения в пространстве местоположения и формы одной или более загрязненных зон.

Это делается возможным благодаря изображению от УФ-излучения. Ограничением расстояния по обнаружению является только поглощение УФ-атмосферой, причем расстояния обнаружения простираются до нескольких сотен метров, даже вообразимы несколько километров.

Очень преимущественным образом, особенно из-за причин стоимости, воздух может быть использован в качестве сцинтиллирующего газа в конкретном применении.

В соответствии с одним аспектом изобретения возможно разграничить окружающую среду корпусом, по существу, непроницаемым для газа и со стенкой, по меньшей мере, локально прозрачной для УФ-излучения. Корпус наполняется газом, содержащим азот и на чувствительной поверхности формируется изображение от индуцируемого фотонного излучения через прозрачную стенку.

Окружающая среда, в смысле изобретения, ограничивается в этом случае внутренним объемом корпуса. Этот объем является для этого типа применения меньшим, чем полный объем помещения, в котором работают.

Можно эффективно учесть повышение или уменьшение давления внутри корпуса для того, чтобы, например, ограничить утечку газа, наполняющего его или чтобы избежать загрязнения.

Следовательно, возможно более легко регулировать газ, заполняющий окружающую среду и влиять на его состав или, возможно, на его давление.

Когда используется чувствительная поверхность, спектр чувствительности которой расширяется за спектр ультрафиолетового излучения азота, возбуждаемого α-частицами, может быть преимущественно формировать изображение от ультрафиолетового излучения в отсутствии видимого света. Эта мера позволяет улучшить отношение сигнала к шуму изображения.

Другая мера, которая позволяет улучшить изображение, состоит из формирования его через фильтр, который выборочно позволяет проходить ультрафиолетовому излучению, в частности, для длин волн, соответствующих сцинтилляции азота.

Также может быть преимущественным так, чтобы облегчить эксплуатацию дистанционной обнаруживающей системы, формировать изображение фотонного излучения (ультрафиолетового) в присутствии искусственного видимого света. Этот искусственный видимый свет может из-за его колебательной природы, связанной с частотой подачи электрического тока, численно вычитаться из полного изображения составленного из УФ-изображения и видимого изображения.

Для того, чтобы облегчить отмечание источников на изображении ультрафиолетового излучения, возможно наложить сетку нахождения положения на изображение.

Особенно интересное решение состоит из формирования также как изображения от ультрафиолетового излучения, изображения от видимого света от окружающей среды. Эти два изображения затем могут быть наложены для того, чтобы найти более легко положение источников относительно объектов, расположенных в окружающей среде.

В этом случае возможно особенно создавать изображение видимого света при искусственном освещении окружающей среды.

Искусственное освещение, излучение которого чувствительно к частоте подачи тока, может, в сущности, и если необходимо, вычитаться в цифровом виде из изображения ультрафиолетового излучения, когда чувствительный элемент является электронным датчиком.

Изобретение также относится к устройству для дистанционного обнаружения источников α-частиц. Устройство включает поверхность, чувствительную к ультрафиолетовому излучению, среду газообразного сцинтиллятора, которая включает азот и которая заполняет окружающую среду, оптическое средство формирования изображения от ультрафиолетового излучения от окружающей среды на чувствительной поверхности. Ультрафиолетовое излучение приходит от сцинтилляции газообразной среды, которая возбуждается α-частицами, испускаемыми источником или источниками.

Устройство может включать фотоаппарат, который снабжается чувствительной поверхностью. Это формируется, например, матрицей фотодиодов, чувствительных к ультрафиолетовому излучению и, возможно, к видимому свету.

Другие характеристики и преимущества изобретения будут выясняться из описания, которое последует, делая ссылку на прилагаемый чертеж, который дается для чисто иллюстративных целей и который является не ограничивающим.

Краткое описание чертежей
Единственный чертеж представляет в схематической форме элементы устройства изобретения для обнаружения источников α-излучения в окружающей среде.

Подробное описание воплощений изобретения
Единственный чертеж показывает помещение, одна из стен 12 которого имеет один или более источников 14 α-излучения. Это, например, радиоактивное загрязнение. α-частицы, испускаемые источником, быстро останавливаются воздухом в помещении 10. Купол, окружающий источник, указывает схематически максимальную среднюю амплитуду α-частиц и разграничивает зону, называемую "зоной сцинтилляционного эффекта" 16.

Внутри этой зоны 16 α-частицы взаимодействуют с атомами азота для того, чтобы вызвать сцинтилляцию. Сцинтилляция выражается испусканием ультрафиолетовых фотонов, которые распространяются свободно внутри помещения. В сущности, ультрафиолетовые фотоны не показывают фактически взаимодействия с газом, заполняющим помещение 10. Фотоаппарат или фотографическая камера 18, видимая в разрезе, содержит поверхность 20, чувствительную к ультрафиолетовому излучению, и оптическую систему 22 для формирования изображения от ультрафиолетового излучения на чувствительной поверхности 20.

На практике оптическая система 22 обеспечивается для формирования изображения стенки 12 и зоны 16 на чувствительной поверхности 20 для излучения, длина волны которого обычно находится между 200 и 400 нм. Может быть пригодна любая оптическая система или катадиоптрическая система, такая как, например, объектив типа УФ NIKKOR.

Чувствительной поверхностью 22 может быть фотографическая пленка или, предпочтительно, матрица электронных оптических датчиков, как, например, фотодиодов.

Это может быть, например, детектор типа устройства с зарядной связью (с переносом заряда) из 512 • 512 пиксел с матрицей 12,3 • 12,3 см, каждая пиксела которой имеет размер 24 мкм • 24 мкм.

Детектор подключается к системе 24 сбора данных и управления для детектора известного типа.

Это может быть, например, контроллер типа ST 138.

Частота 50 Гц оказывается достаточной для проведения измерений. В сущности, поскольку свойство сцинтилляции азота создает мало фотонов, обычно нет необходимости считывать детектор с большей частотой. Однако для того, чтобы вычитать в цифровом виде влияние искусственного света, если это требуется, может быть полезным работать на более высоких частотах, в то время как суммируя получаемые изображения.

Несмотря на то, что малое количество ядерных явлений является вредным для выявления прибором, возможно извлекать пользу из статистической природы появления явлений восстановления "радиоактивного изображения" сцены. Сбор данных интегрирует сигнал суммированием большого числа грубых или скорректированных изображений.

Система 24 сбора данных также включает средство отображения изображения, формируемого на детекторе, такое как, например, монитор или видеоэкран. Отображение изображений может тогда происходить в реальном времени.

Спектр чувствительности поверхности 24 соответствует, например, диапазону длин волн, распространяющемуся от 200 нм до 400 нм. Однако также можно использовать поверхность, чувствительную выше более широкого спектра и присоединить преграждающий фильтр 23 к оптической системе 22, который позволяет проходить только УФ-излучению в пределах диапазона выбранных длин волн.

В одном конкретном применении также преимущественно возможно использовать более расширенный спектр для чувствительной поверхности для того, чтобы формировать, кроме того, изображение помещения 10 от видимого света. Это видимое изображение может быть также отображено на видеоэкране.

Это изображение видимого света, когда оно накладывается на изображение УФ-излучения, позволяет более легко идентифицировать местоположение источников α-излучения, особенно относительно стен помещения или других объектов, которые расположены в нем.

Благодаря системе для сбора данных и управления детектором возможно суммировать в цифровом виде или вычитать данные, соответствующие изображению видимого света и изображению ультрафиолетового излучения. Также возможно вычитать отдельно записанный "базовый шум" из изображения.

Система сбора данных и управления также позволяет модифицировать чувствительность и разрешение изображений или увеличивать все или часть изображения.

Кислород, присутствующий в воздухе, имеет отрицательное действие на сцинтилляционное свойство азота, содержащегося в воздухе. Как показывает фигура, для того, чтобы ограничить это действие, возможно разграничить меньшую окружающую среду внутри помещения, в которой возможно легче регулировать смесь газа, окружающего источник.

Следовательно, корпус 30, по существу, не проницаемый для газа, размещается в помещении 10 в месте, где предполагается наличие источника α-частиц, которое желают обнаружить. В случае фигуры корпус 30 прислонен к стене 12 и разграничивает пространство объема, меньшего чем объем помещения 10. Это пространство затем составляет окружающую среду в контексте изобретения, внутри которой должен быть расположен источник. Этот корпус может преимущественно составляться из камеры с перчатками или из защитного корпуса с внутренними стенками, загрязнение которых желают исследовать.

Корпус имеет размеры, которые больше, чем максимальная средняя длина пробега α-частиц в газе, то есть больше чем размеры зоны 16 сцинтилляционного эффекта.

Генератор 32 азота подключается к корпусу 30 для увеличения содержания азота внутри корпуса. Газы другие чем азот, такие как определенные инертные газы подобно Ar, Nt, Кr и Хе или любая смесь этих газов могут также быть вдуты в корпус 30 так, чтобы улучшить сцинтилляционное свойство.

Также возможно удалить, по меньшей мере, часть кислорода, содержащегося в корпусе 30, вызыванием реакции горения или катализированного окисления. Корпус выполняется из материала, прозрачного для УФ-излучения, или включает иллюминатор 33 так, чтобы позволить прохождение сцинтилляционных фотонов в фотоаппарат.

Наконец, очевидно, что благодаря устройству изобретения и его способу работы, возможно обнаружить источник α-излучения на расстоянии, значительно большем чем средняя длина пробега α-частиц.

В сущности, хотя расстояние, проходимое α-частицей перед взаимодействием порядка нескольких сантиметров, расстояние L, отделяющее обнаруживаемый источник от измерительной камеры, может быть несколько километров. Оно является регулируемым, особенно выбором фокусной длины оптической системы.

Как указано выше, устройство изобретения может найти применения для обнаружения радиоактивных источников. Оно может быть также выгодно использовано для обнаружения в окружающей среде радиоактивного газа, который испускает α-частицы.

В качестве примера для обнаружения утечки в цистерне, как, например, цистерне - перевозчике метана, возможно накачать в двойную оболочку, внешнюю к цистерне, газ, содержащий источники α-частиц, как, например, радон, и формировать изображение внутренней стенки цистерны. Это изображение делает очевидным обнаружение утечки, поскольку происходит сцинтилляция, вызываемая взаимодействием α-частиц, испускаемых радоном, и окружающим воздухом.

Источники информации
1. Подсчет сцинтилляции в газе. К. Эгглер и др. Ядерная физика и техника, апрель 1956, страницы 34 и 35.

2. Спектроскопическое исследование люминесценции, индуцируемой альфа-лучом, в газах. С. Дондес. Радиационные исследования 27, 1966, страницы 174-209.

3. Теория и практика сцинтилляционных подсчетов. Дж. Б. Бирке, Пергамон Пресс, страница 578 и страница 592.

Использование: в радиационной защите и в обнаружении присутствия радиоактивных газов. В способе дистанционного обнаружения источников α-частиц в окружающей среде используется газ, который содержит азот, и заполняет окружающую среду, для того, чтобы преобразовать α-частицы, испускаемые источниками, в ультрафиолетовое излучение, и изображение ультрафиолетового излучения формируется на фоточувствительной поверхности. Устройство содержит поверхность, чувствительную к ультрафиолетовому излучению, среду газообразного сцинтиллятора, которая включает азот и оптическое средство, выполненное с возможностью формирования изображения ультрафиолетового излучения окружающей среды на чувствительной поверхности. Технический результат: увеличение расстояния, с которого возможна регистрация α-излучения. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дистанционного обнаружения источников (14) α-частиц в окружающей среде (10,30), при котором используют газ, содержащий азот, который заполняет окружающую среду, осуществляют преобразование α-частиц, испускаемых источниками (14) в фотонное излучение, и осуществляют формирование изображения фотонного излучения на фоточувствительной поверхности, отличающийся тем, что газ, содержащий азот используют для преобразования α-частиц, испускаемых источниками (14) в ультрафиолетовое фотонное излучение. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окружающая среда разграничивается корпусом (30), по существу, непроницаемым для газа, и стенкой (32), по меньшей мере, локально прозрачной для фотонного излучения, причем корпус заполняют газом, содержащим азот, и изображение фотонного излучения формируют на чувствительной поверхности через эту стенку (32). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что изображение фотонного излучения формируют в отсутствии видимого света. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что изображение фотонного излучения формируют через фильтр (23), который выборочно допускает прохождение ультрафиолетового излучения. 5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что изображение фотонного излучения формируют в присутствии искусственного видимого света. 6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что изображение видимого света окружающей среды дополнительно формируют. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что изображение видимого света создают при искусственном освещении окружающей среды. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что изображение видимого света и изображение фотонного излучения накладывают. 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что воздух используют в качестве сцинтиллятора и осуществляют преобразование α-частиц, испускаемых источниками (14) в ультрафиолетовое излучение. 10. Устройство для дистанционного обнаружения источников α-частиц в окружающей среде, причем устройство содержит поверхность (20), чувствительную к ультрафиолетовому излучению, среду газообразного сцинтиллятора, которая включает азот, и которая заполняет окружающую среду, и оптическое средство (22), выполненное с возможностью формирования изображения ультрафиолетового излучения окружающей среды на чувствительной поверхности. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит корпус (30), по существу, непроницаемый для газа для того, чтобы очерчивать окружающую среду, и снабженный стенкой, по меньшей мере, локально прозрачной для ультрафиолетового излучения, для того, чтобы формировать изображение излучения на чувствительной поверхности, которая располагается вне корпуса. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит фотоаппарат, причем фотоаппарат имеет чувствительную поверхность. 13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что чувствительной поверхностью является матрица фотодиодов. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что матрица содержит фотодиоды, дополнительно чувствительные к видимому свету. 15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средство для формирования изображения видимого света окружающей среды. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит видеоэкран для отображения, по меньшей мере, одного из изображений ультрафиолетового излучения и видимого света.