СПОСОБ НЕЙТРОННОЙ РАДИОГРАФИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ, ЭКРАН ДЛЯ НЕЙТРОННОЙ РАДИОГРАФИИ, ЭКРАН ДЛЯ НЕЙТРОННОЙ И РЕНТГЕНОВСКОЙ РАДИОГРАФИИ Российский патент 2003 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к исследованию или анализу объектов радиационными методами, например, с помощью нейтронного или рентгеновского излучения.

Известен способ нейтронной радиографии с использованием быстрых нейтронов, который реализован в нейтронном преобразователе (см., например, авт. св. СССР 699914, кл G 01 N 23/09, 1978 г.), содержащем источник быстрых нейтронов, детектор, двухслойный отражательный экран, выполненный из не содержащего водород материала.

За прототип выбраны способ нейтронной радиографии с использованием быстрых нейтронов (см., например, К.К. Шварц, З.А. Грант, Т.К. Межс, М.М. Грубе "Термолюминесцентная дозиметрия", изд. "3инатне", Рига, 1968 г.), основанный на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором о пространственном распределении интенсивности излучения быстрых нейтронов судят по распределению его яркости.

В известном способе радиографии быстрые нейтроны, излучаемые генератором, образуют протоны отдачи в люминесцентном экране, которые возбуждают оптическое свечение экрана, пространственное распределение яркости свечения которого отражает пространственное распределение интенсивности излучения быстрых нейтронов. Далее оптическое излучение с помощью поворотного зеркала и входного объектива передается на вход усилителя изображения. Усиленное изображение с выхода усилителя изображения через выходной объектив записывается на ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью). При этом в процессе экспозиции люминесцентного экрана в нейтронном пучке в матрице происходит накопление полезного электронного заряда, обусловленного нейтронным пучком, а также накопление собственных тепловых шумов матрицы и сигнала.

Для известного способа характерна малая эффективность использования генерируемых нейтронов (<1%), существенное влияние собственных шумов ПЗС-матрицы и фоновых излучений, что снижает качество радиографического изображения.

Известны люминесцентные экраны для нейтронной радиографии (см., например, Mikerov V., Waschkowski W., "A Two-dimesional detector for fast neutron fields imaging//Proceedings of the V-th International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei, p.p. 269-275, Dubna, May 14-17, 1997, а также Mikerov V., Waschkowski W., "A Two-dimesional detector for fast neutron fields imaging//Proceedings of the 3^rd International Topical Meeting on Neutron Radiography (Lucerne, Swizerland, March 16-19, 1998), которые состоят из полимерной матрицы и внедренного в него порошкового люминофора.

За прототип выбран экран (см., например, J. Rant, M. Balasko, E. Kristof, A. Simonits and J. Stade "Fast Neutron Radiography Using Photoluminescent Imaging Plates" (Abstracts of the VI-th International Conference on Neutron Radiography, 129, Osaka, Japan, May 17-21, 1999), содержащий фотолюминесцентные пластины с энергонакапливающим запоминающим люминофором в комбинации с металлическими активационными фольгами, который позволяет регистрировать быстрые нейтроны в широком диапазоне энергий первичных нейтронов.

Однако использование металлических активационных фольг сопровождается низкой (более чем в 100 раз) эффективностью по сравнению с водородосодержащим нейтрографическим конвертором.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности использования быстрых нейтронов, уменьшение времени экспозиции, уменьшение влияния фонового сигнала, улучшение качества получаемых изображений, а также увеличение производительности процесса и ресурса нейтронного генератора и получение дополнительного изображения в рентгеновском излучении, сопутствующем нейтронному излучению.

Указанная задача решается тем, что в способе нейтронной радиографии с использованием быстрых нейтронов, основанном на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором по распределению его яркости судят о пространственном распределении интенсивности излучения быстрых нейтронов, в качестве источника излучения используют точечный источник быстрых нейтронов, а оптическое изображение запоминают в каждой из набора люминесцентных пластин экрана, а затем раздельно считывают за короткое (в сотни раз меньшее процесса запоминания) время в фотоприемное устройство, при этом в экране для нейтронной радиографии, представляющем собой люминесцентный экран, люминесцентный экран состоит из чередующегося набора пластин, выполненных из порошкового люминофора, между которыми расположены дополнительно введенные пластины из водородосодержащего вещества, например, полиэтилена или полипропилена, толщина которых выбирается из условия требуемого пространственного распространения излучаемых быстрых нейтронов, а общая толщина экрана определяется из условия малого влияния вторично рассеянных нейтронов, кроме того экран для нейтронной радиографии может состоять из набора пластин, каждая из которых представляет собой смесь водородосодержащего вещества и запоминающего энергонакапливающего люминофора, причем объем люминофора в смеси определяется спектром нейтронов и для энергии нейтронов порядка 14 МэВ составляет (0,1-0,15)% от общего объема смеси.

Экран для нейтронной радиографии может быть выполнен из набора пластин, каждая из которых представляет собой смесь водородосодержащего вещества, запоминающего энергонакапливающего люминофора и дополнительного порошкового люминофора, излучающего в полосу поглощения запоминающего энергонакапливающего люминофора.

Экран для нейтронной и рентгеновской радиографии, содержащий экран для нейтронной радиографии, дополнительно содержит свинцовый экран и дополнительный набор пластин из запоминающего энергонакапливающего люминофора, расположенный между источником излучения быстрых нейтронов и основным экраном, а между основным экраном и дополнительным набором пластин установлен свинцовый экран.

При этом в качестве запоминающего энергонакапливающего люминофора используют материал с общей стехиометрической формулой
Ba_1-хSr_xGa₂O₄E_U ⁺²Dy³,
где х = 0,001 - 0,1, а содержание E_U ⁺² = Dy³ = 1%, а в качестве инициирующего порошкового люминофора используют материал состава
ZnS•AgTmS₂,
в котором содержание активирующего соединения AgTmS₂ составляет от 0,005 до 0,01 мас.%.

Использование комбинации водородосодержащего вещества с энергонакапливающим запоминающим люминофором позволило разделить процесс преобразования нейтронного изображения в оптическое и его считывания в фотоприемное устройство.

Набор таких комбинированных экранов с общей толщиной, величина которой определяется условием малого влияния вторично рассеянных нейтронов и составляет 10-30 мм, позволяет устранить влияние вторично рассеянных нейтронов на качество изображения.

Еще одной особенностью предлагаемого изобретения является введение дополнительного набора пластин и свинцового экрана, что позволяет дополнительно получить изображение в рентгеновском излучении, сопутствующем нейтронному излучению.

На фиг. 1 представлена функциональная схема экрана для нейтронной радиографии, на фиг. 2 - экрана для нейтронной радиографии и рентгенографии. Экран для нейтронной радиографии (см. фиг. 1, 2) состоит из набора 1 чередующихся пластин, выполненных из запоминающего энергонакапливающего люминофора 2 и водородосодержащего вещества (конвертора) 3, на чертеже также обозначен точечный источник 4 нейтронного излучения, например, генератор нейтронов, и объект исследования 5.

Экран для нейтронной радиографии и рентгенографии (см. фиг. 2) содержит дополнительный набор пластин 6 из запоминающего энергонакапливающего люминофора и свинцовый экран 7.

Существо предложенного способа нейтронной радиографии с использованием быстрых нейтронов состоит в том, что быстрые нейтроны, излучаемые генератором 3 нейтронов, образуют в водородосодержащих пластинах (конверторах) 3 протоны отдачи, которые возбуждают фосфор в пластине 2 из запоминающего энергонакапливающего люминофора. Далее это возбуждение, переносимое в потенциальную энергию электронов и дырок, сохраняется в запоминающем энергонакапливающем люминофоре.

Для проявления изображения люминофорные пластины нагревают до 350-370К или облучают лазером с λ = 633 нм.

Таким образом, процесс получения изображения в предлагаемом экране состоит из процесса накопления изображения в чередующихся пластинах из запоминающего или энергонакапливающего люминофора и последующего процесса его считывания в фотоприемном устройстве или другом устройстве такого же назначения, например, струйном лазерном считывателе.

Поскольку в процессе накопления изображения устройство считывания отключено или находится в другом помещении, накопления фонового сигнала не происходит, что является существенным преимуществом предлагаемого изобретения.

Процесс считывания происходит за очень короткое время, в сотни раз меньшее процесса накопления, порядка 1 мин. Для одной из пластин люминофора в зависимости от площади пластины, при этом нейтронный генератор находится в выключенном состоянии, вследствие чего в пластинах не происходит накопления фонового сигнала, обусловленного быстрыми нейтронами, и на выходе после обработки практически отсутствует фоновый сигнал, вызванный активацией окружающего пространства, узлов детектора и собственными шумами устройства считывания.

Экран для нейтронной радиографии работает следующим образом.

Для получения изображения используется известный радиографический метод переноса, при котором пластина конвертора 3, расположенная в нейтронном поле, активируется быстрыми нейтронами. После облучения эта пластина приводится в контакт с пластиной 2, выполненной из материала, в котором под действием излучения, выходящего из конвертора 3, формируется оптическое изображение.

По такому принципу построен экран, состоящий из набора пластин. При этом в пластинах 3 из водородосодержащего вещества, помещенных в нейтронное поле, создаваемое точечным источником 4 нейтронного излучения, образуются протоны отдачи, которые возбуждают зерна люминофора в пластинах 2, выполненных из порошкового люминофора.

Под точечным источником 4 нейтронного излучения подразумевается источник, излучающая поверхность которого много меньше расстояния от источника нейтронного излучения до облучаемого объекта 5 и равна для источника типа "плазменный фокус" порядка 0,1 мм, в то время, как расстояние до облучаемого объекта составляет порядка 10 см.

Видимое изображение может накапливаться в скрытой форме в пластинах 2 из запоминающего энергонакапливающего люминофора в результате возбуждения запоминающего люминофора протонами отдачи, возникающих в водородосодержащем веществе.

Экран для нейтронной радиографии может быть выполнен из набора пластин, каждая из которых представляет собой смесь водородосодержащего вещества, инициирующего порошкового люминофора, например, синего цветосвечения и запоминающего люминофора, при этом объем люминофора в смеси определяется спектром нейтронов. В этом случае изображение в запоминающем энергонакапливающем люминофоре накапливается в результате его возбуждения как протонами отдачи, так и квантами синего цвета, излучаемого инициирующим порошковым люминофором под действием их же протонов отдачи.

Физический принцип работы такого экрана не меняется.

Функциональные возможности предложенного экрана могут быть расширены путем введения дополнительного набора 6 пластин запоминающего люминофора 2, расположенного между источником излучения быстрых нейтронов 4 и основным набором 1 из пластин запоминающего люминофора и водородосодержащего вещества. Поглощающий свинцовый экран 7, установленный между основным 1 и дополнительным 6 наборами пластин, защищает основной набор 1 пластин от рентгеновского излучения, при этом на дополнительном наборе 6 из пластин запоминающего люминофора может быть получено рентгенографическое изображение, а на основном - чистое нейтронографическое, поскольку более слабое рентгеновское излучение, сопутствующее нейтронному, через поглощающий свинцовый экран не проходит при толщине свинцовой пластины d_pb > d_люм ≈ 10 мм.

Проявление изображения осуществляется после накопления изображения в пластинах специальным прибором, например, фотосчитывающим устройством.

Использование набора комбинированных экранов позволяет увеличить эффективность использования нейтронов, поскольку изображение будет накапливаться в каждом из экранов практически независимо из-за малого общего ослабления пучка быстрых нейтронов. При этом каждый из экранов обеспечивает высокое пространственное разрешение, определяемое его толщиной, размером излучающей нейтроны области и расстоянием от экрана до генератора.

Компьютерная обработка изображений каждого из экранов позволяет свести все эти изображения к единому изображению.

Изобретения относятся к области исследования материалов радиационными методами. В способе в качестве источника излучения используют точечный источник быстрых нейтронов, а оптическое изображение запоминают в каждой из набора люминесцентных пластин экрана, а затем раздельно считывают за короткое (в сотни раз меньшее процесса запоминания) время в фотоприемное устройство. Экран для нейтронной радиографии (основной экран) состоит из набора чередующихся пластин, выполненных из запоминающего энергонакапливающего люминофора и водородосодержащего вещества (конвертора). Экран для нейтронной радиографии и рентгенографии содержит дополнительный набор пластин из запоминающего энергонакапливающего люминофора, расположенный между источником излучения быстрых нейтронов и основным экраном, и свинцовый экран, установленный между основным экраном и дополнительным набором пластин. Техническим результатом изобретений является повышение эффективности использования быстрых нейтронов, уменьшение времени экспозиции, уменьшение влияния фонового сигнала, улучшение качества получаемых изображений, а также увеличение производительности процесса и ресурса нейтронного генератора и получение дополнительного изображения в рентгеновском излучении, сопутствующем нейтронному излучению. 3 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ нейтронной радиографии с использованием быстрых нейтронов, основанный на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором по распределению его яркости судят о пространственном распределении интенсивности излучения быстрых нейтронов, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют точечный источник быстрых нейтронов, а оптическое изображение запоминают в каждой из набора люминесцентных пластин экрана, а затем раздельно считывают за короткое (в сотни раз меньшее процесса запоминания) время в фотоприемное устройство. 2. Экран для нейтронной радиографии, представляющий собой люминесцентный экран, отличающийся тем, что люминесцентный экран состоит из чередующегося набора пластин, выполненных из порошкового люминофора, между которыми расположены дополнительно введенные пластины из водородосодержащего вещества, например, полиэтилена или полипропилена, толщина которых выбирается из условия требуемого пространственного распространения излучаемых быстрых нейтронов, а общая толщина экрана определяется из условия малого влияния вторично рассеянных нейтронов. 3. Экран для нейтронной радиографии по п.2, отличающийся тем, что он состоит из набора пластин, каждая из которых представляет собой смесь водородосодержащего вещества и запоминающего энергонакапливающего люминофора. 4. Экран для нейтронной радиографии по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что объем люминофора в смеси определяется спектром нейтронов и для энергии нейтронов порядка 14 Мэв составляет 0,1-0,15% от общего объема смеси. 5. Экран для нейтронной радиографии по п.2, отличающийся тем, что он состоит из набора пластин, каждая из которых представляет собой смесь водородосодержащего вещества, запоминающего энергонакапливающего люминофора и дополнительного порошкового люминофора, излучающего в полосу поглощения запоминающего энергонакапливающего люминофора. 6. Экран для нейтронной и рентгеновской радиографии, содержащий экран для нейтронной радиографии, отличающийся тем, что он дополнительно содержит свинцовый экран и дополнительный набор пластин из запоминающего энергонакапливающего люминофора, расположенный между источником излучения быстрых нейтронов и основным экраном, а между основным экраном и дополнительным набором пластин установлен свинцовый экран. 7. Экран для нейтронной радиографии по любому из пп.2-6, отличающийся тем, что в качестве запоминающего энергонакапливающего люминофора используют материал с общей стехнометрической формулой
Ba_1-хSr_xGa₂O₄E_U ⁺²Dy³,
где х = 0,001 - 0,1, а содержание E_U ²⁺=Dy³=1%,
а в качестве инициирующего порошкового люминофора используют материал состава ZnS•AgTmS₂, в котором содержание активирующего соединения AgTmS₂ составляет от 0,005 до 0,01 мас.%.