ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2006 года по МПК G01T1/11 

Изобретение относится к области ядерного приборостроения, оно связано с разработкой дозиметрических комплексов интегрирующего типа, а именно с разработкой термолюминесцентных дозиметрических комплексов для регистрации рентгеновского, гамма- и электронного излучения, комплексов, используемых в стационарных условиях, в том числе и для индивидуальной дозиметрии, а также в качестве контролирующих дозиметрических комплексов сопровождения транспортных ядерно-энергетических установок наземного, подводного и космического базирования.

Все известные термолюминесцентные дозиметрические комплексы (ТЛД-комплексы) включают в себя термолюминесцентный детектор (ТЛД), нагреватель ТЛД-детектора, фотоприемник, а также электронный блок управления и обработки сигналов. Во всех известных ТЛД-комплексах в качестве ТЛД используют радиационно-чувствительные термолюминофорные материалы (например, LiF, NaF, CaF₂, SrF₂, BeO, Al₂О₃, Li₂B₄O₇, Bi₄Ge₃O₁₂ и другие) в виде монокристаллических или поликристаллических дисков (таблеток) со стандартными размерами: диаметром 5 мм, толщиной 1 мм. Во всех известных термолюминесцентных дозиметрических комплексах фотоприемник, как правило, измеряет только часть (не более половины) светосуммы, высвечиваемой детектором со стороны ТЛД-диска (таблетки), обращенной к фотоприемнику, то есть фотоприемник регистрирует термолюминесценцию в телесном угле, не превышающем 2π (2π-геометрия).

В предлагаемом термолюминесцентном дозиметрическом комплексе принципиально новым техническим решением является использование термолюминесцентных детекторов не в виде дисков, а в виде кристаллических волокон из радиационно-чувствительных светозапасающих термолюминофорных материалов, хранящих информацию о дозе облучения.

Известен термолюминесцентный дозиметрический комплекс - автоматизированный комплекс индивидуального дозиметрического контроля АКИДК-201 (Рекламный листок Ангарского электролизного химического комбината), пригодный для регистрации фотонного (гамма- и рентгеновского) излучения. Термолюминесцентный детектор известного комплекса представляет собой диск из монокристаллического фторида лития, активированного магнием и титаном - ТЛД-детектор марки ДТГ-4. Нагрев термолюминесцентного дискообразного детектора в известном комплексе осуществляют с помощью генератора тока высокой частоты. Считывание дозиметрической информации с ТЛД-детектора при его термовысвечивании осуществляют с помощью фотоприемника (фотоэлектронного умножителя), расположенного в непосредственной близости от нагретого детектора. Для снижения температуры фотоприемника в известном термолюминесцентном дозиметрическом комплексе используют микрохолодильник, что усложняет и удорожает конструкцию детектора. Кроме того, в известном термолюминесцентном дозиметрическом комплексе обеспечивается светособирание ТЛД детектора только в 2π телесном угле. При этом теряется не менее 50% высвечиваемой детектором светосуммы, что уменьшает почти в два раза удельную чувствительность ТЛД-детектора в сравнении с таковой при светособирании в 4π-геометрии.

Известен термолюминесцентный дозиметрический комплекс - система «Сапфир 001» (Russian State Standard Committee Certificate №2024 on approval of measurement means dated 18.01.1996. Рекламный листок). Система предназначена для измерения дозы рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне 0,01-200 мЗв. Известный термолюминесцентный дозиметрический комплекс имеет кассету, содержащую 4 ТЛД-детектора (ТЛД-500К) в виде таблеток из Al₂О₃ диаметром 5 мм и толщиной 1 мм, с нагревателем в виде пластины накального типа. Однако известный термолюминесцентный дозиметрический комплекс обеспечивает светособирание с термолюминесцентного детектора только в 2π-геометрии. При этом теряется не менее 50% высвечиваемой детектором светосуммы, что уменьшает почти в два раза удельную чувствительность детектора в сравнении с таковой при светособирании в 4π-геометрии. В известном детекторе нагреватель с термолюминофором располагаются вблизи от фотоприемника, что повышает уровень тепловых шумов фотоприемника и снижает чувствительность ТЛД-комплекса в целом. В известном комплексе не предусмотрена возможность передачи высвечиваемой детектором светосуммы на удаленный от нагревателя фотоприемник.

В других известных аналогичных термолюминесцентных дозиметрических комплексах (например, Модель №»2000D фирмы Harshaw Chemical Company USA, каталог 1982 г.; патент Великобритании №1059514, кл. С 09 К 1/06, 1967) термолюминесцентные детекторы, входящие в состав ТЛД-комплексов, имеют вид дисков, с которых собирается светосумма в условиях 2π-геометрии, то есть теряется до 50% информации, фотоприемники расположены в непосредственной близости от нагревателей, что не обеспечивает высокой удельной чувствительности ТЛД-детекторов и дозиметрических комплексов в целом.

Известен термолюминесцентный дозиметрический комплекс (К.К.Шварц, М.М.Грубе. Некоторые вопросы техники измерения в термолюминесцентной дозиметрии. В сб. Радиационная физика. Рига: Зинатне. 1967. Вып.5, С.237-257), содержащий детектор на основе дискообразного кристаллического LiF (или порошкообразного LiF, сбрикетированного в таблетку) и нагревательный элемент в виде тонкой металлической пластины (0,15×4×10 мм) и фотоприемник. Однако в известном термолюминесцентном комплексе фотоприемник расположен непосредственно перед нагревателем, что создает сильный тепловой фон.

Для уменьшения теплового фона известный комплекс содержит светофильтр, что снижает чувствительность комплекса из-за неизбежных потерь в светофильтре. Недостатком известного термолюминесцентного дозиметрического комплекса является также то, что светособирание с ТЛД-детектора в нем осуществляется в 2π-геометрии. При этом теряется не менее 50% высвечиваемой детектором светосуммы, что уменьшает почти в два раза удельную чувствительность детектора в сравнении с таковой при светособирании в 4π-геометрии.

Наиболее близким к заявляемому является термолюминесцентный дозиметрический комплекс (L.Albert, O.Roy, S.Magne, L.Dusseau, J.C.Gaucher, J.Fesquet, J.Gassion and J.C.Bessiere / Optical fiber sensor based on optically stimulated luminescence for γ-radiation detection // Book of abstracts 3-rd Int. Symp. "Luminescencents Detectors and Transformers of Ionizing Radiation" LUMDETR'97, 1997, P.1-2). Известный термолюминесцентный дозиметрический комплекс содержит термолюминесцентный детектор, изготовленный из радиационно-чувствительных термолюминесцентных материалов на основе щелочноземельных сульфидов, чувствительный к ультрафиолетовому, рентгеновскому или гамма-излучению. Термовысвечивание осуществляют с помощью инфракрасного излучения лазерного диода (λ=858 нм), играющего роль нагревателя. Фотоприемником в известном термолюминесцентном дозиметрическом комплексе служит фотоэлектрический умножитель, который принимает сигнал с ТЛД-детектора через стыковочный узел (connector) с помощью волоконно-оптического кабеля связи. Сигналы с фотоприемника обрабатываются блоком управления и обработки сигналов. Однако известный термолюминесцентный дозиметрический комплекс имеет ТЛД-датчик, выполненный из термолюминофорного материала в виде диска. Недостатком такого комплекса является то, что светособирание с дискообразного ТЛД-детектора в нем осуществляется в 2π-геометрии, при которой теряется значительная часть высвечиваемой детектором светосуммы, что уменьшает удельную чувствительность детектора.

Предлагаемое устройство - термолюминесцентный дозиметрический комплекс, схема которого приведена на чертеже, содержит волоконный термолюминесцентный детектор 1 со светоотражающим покрытием 2 и зеркальным торцом 3, на одном из краев волокна закреплен плотно прилегающий к нему нагреватель 4 в виде чехла из металлической фольги, волоконный термолюминесцентный детектор 1 через стыковочный узел 5 соединен с помощью волоконно-оптического кабеля 6 с фотоприемником 7, сигнал с которого поступает на электронный блок управления (нагревателем) и обработки сигналов 8; блок управления соединен с нагревателем с помощью кабеля 9. Волоконный термолюминесцентный детектор 1 вместе с отражающим покрытием по всей длине 2, зеркальным торцом 3, нагревателем 4 и стыковочным узлом образует термолюминесцентный датчик 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После облучения волоконного термолюминесцентного детектора 1 при температуре 300К рентгеновским или гамма-излучением или электронами в нем накапливается информация о дозе облучения в виде запасенной светосуммы. По сигналу с микропроцессорного блока управления и обработки информации 8 включается нагреватель 4, обеспечивающий заданную скорость нагрева (например, 0,1-0,4 К/с) термолюминесцентного детектора. При определенной температуре (температуре пика термостимулированной люминесценции (ТСЛ)) происходит высвечивание светосуммы, запасенной в детекторе под действием излучения. Если в качестве термолюминесцентного детектора используют волокно на основе NaF-U, Cu, то основной пик ТСЛ (λ=540-670 нм) наблюдается при температуре 360-420 К. Для волокна Bi₄Ge₃O₁₂ пик ТСЛ (λ=505 нм) наблюдается при температуре 355-390 К, а для волокна Al₂O₃ (λ=410, 510 и 693 нм) при температуре 448 К. Таким образом, позиции пиков ТСЛ для волоконных ТЛД-детекторов (изготовленных на основе известных фторидных или оксидных материалов NaF-U, Cu; NaF-U; LiF-U,Cu; LiF-U; LiF-Ti; Mg, Al₂О₃; Bi₄Ge₃O₁₂ или щелочноземельных сульфидов) в виде волокон такие же, как и для дискообразных ТЛД-детекторов, изготовленных из тех же материалов. Высвечиваемая светосумма собирается с помощью светоотражающего покрытия 2 и торцевого зеркала 3 в телесном угле, близком к 4π, и по волокну 1 через стыковочный узел 5 поступает в волоконно-оптический кабель 6, с помощью которого она поступает на фотоприемник, изготовленный, например, в виде матрицы из приборов с переносом заряда: ПЗС-матрицы, имеющей достаточно высокую чувствительность в видимом диапазоне. Последняя обеспечивает регистрацию ТСЛ для всех вышеуказанных ТЛД-детекторов, излучающих в видимом диапазоне спектра. Далее сигналы с ПЗС матрицы поступают на блок управления и обработки сигналов, который выдает информацию о дозе облучения.

Принципиальное преимущество предлагаемого термолюминесцентного дозиметрического комплекса заключается в том, что в нем в качестве сенсорного элемента используют кристаллические волокна из неорганических радиационно-чувствительных материалов, по сути из тех же материалов, которые применялись для традиционных дискообразных ТЛД-детекторов с теми же самыми позициями пиков ТСЛ. Использование волокна в качестве ТЛД-детекторов повышает удельную (на единицу массы или объема) чувствительность детектора, поскольку обеспечивает светосбор в полном телесном угле, близком к 4π, и создает условия для удаленного расположения фотоприемника, при котором защитные светофильтры и микрохолодильники, применяемые в известных дозиметрических комплексах, не требуются.

Повышение удельной чувствительности ТЛД создает условия для микроминиатюризации датчиков, которые могут быть использованы при определении и контроле дозозатрат космонавтов, работающих в открытом космосе, или при определении дозозатрат конструкционных элементов, солнечных батарей или оптико-электронных схем, расположенных на поверхности космических аппаратов, работающих в радиационных поясах Земли.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является особенность его работы в полях ионизирующих излучений повышенной интенсивности и в смешанных полях излучений. В первом случае волокно не только запасает в себе светосумму, продолжая работать в режиме накопления и запоминания информации о дозе и флюенсе облучения, но и начинает работать в режиме on line как люминесцентный токовый детектор, информируя о превышении опасных пороговых уровней излучения. Во втором случае при работе в смешанных полях излучений термолюминесцентные волоконные детекторы изготавливают из разных веществ. Например, из ⁶LiF-U, Cu изготавливаются ТЛД-детекторы для регистрации нейтронов и фотонного излучения, а из ⁷LiF-U, Cu, из анион-дефектного корунда Al₂О₃, из Bi₄Ge₃O₁₂ или сульфидов щелочноземельных металлов изготавливают для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. В этом случае применяют несколько термолюминесцентных датчиков типа датчика 10, изображенного на чертеже. Каждый датчик снабжен своим ТЛД-детектором, избирательно чувствительным к тому или иному виду ионизирующего излучения, а также индивидуальными кабелями волоконно-оптической связи, сигналы с которых обрабатываются одним общим фотоприемником и электронным блоком управления и обработки сигналов.

Предложен термолюминесцентный дозиметрический комплекс, пригодный для регистрации рентгеновского, гамма- и электронного излучения. Сущность: в качестве термолюминесцентного детектора в комплексе используют термолюминесцентный детектор, выполненный в виде кристаллического волокна на основе термолюминофорных фторидных, оксидных или сульфидных материалов, со светоотражающим покрытием по всей длине волокна, один конец которого снабжен зеркальным отражателем, а другой имеет стыковочный узел, через который высвечиваемая волоконным термолюминесцентным детектором светосумма поступает в волоконно-оптический кабель связи, соединенный с фотоприемником и блоком управления и обработки сигналов. Нагреватель выполнен в виде чехла из металлической фольги, плотно охватывающей волоконный термолюминесцентный детектор. Технический результат изобретения: повышение удельной (на единицу массы или объема) чувствительности детектора за счет обеспечения светосбора в полном телесном угле, близком к 4π, и создания условия для удаленного расположения фотоприемника, при котором защитные светофильтры и микрохолодильники, применяемые в известных дозиметрических комплексах, не требуются, возможность работы в полях ионизирующих излучений повышенной интенсивности и в смешанных полях излучений. 1 ил.

Термолюминесцентный дозиметрический комплекс, включающий термолюминесцентный детектор, нагреватель термолюминесцентного детектора, волоконно-оптический кабель связи, фотоприемник, электронный блок управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что в качестве термолюминесцентного детектора используют детектор, выполненный в виде кристаллического волокна на основе термолюминофорных фторидных, оксидных или сульфидных материалов, со светоотражающим покрытием по всей длине волокна, один конец которого снабжен зеркальным отражателем, а другой имеет стыковочный узел волоконно-оптического кабеля связи, соединенного с фотоприемником и блоком управления и обработки сигналов, а нагреватель выполнен в виде чехла из металлической фольги, плотно охватывающей волоконный термолюминесцентный детектор.