ДЕТЕКТОР ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.

Известна портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001, содержащая источник γ-излучения, детектор рассеянного γ-излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного γ-излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей.

Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001. Инструкция по эксплуатации, 1998 г.

Источник γ-излучения имеет большую мощность, что создает опасность для персонала. Система не может быть использована при рабочих температурах ниже 0°С.

Известно устройство для анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей.

Исследуемый образец помещают между источником и детектором. Далее γ-кванты регистрируют детектором γ-излучения, импульсы детектора усиливают и направляют через дискриминатор и счетчик в вычислительное устройство (контроллер), после обработки информация выводится на дисплей.

Патент Великобритании №2088050, G 01 N 23/08, 1998 г. Недостатком изобретения является низкая стабильность измерений.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон, электронно-оптическая система содержит фотоприемники. Патент США №4942302, МПК G 01 Т 3/06, 1990 г.

Указанное устройство имеет низкую эффективность, т.к. не обеспечивает двухкоординатную регистрацию протонов отдачи с пробегом меньше поперечного сечения одиночного волокна, а также имеет ограничения по количеству волокон в слое и числу слоев, накладываемые числом используемых фотоприемников. Устройство имеет ограниченное пространственное разрешение, определяемое сечением волокна.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон. Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон, а электронно-оптическая система выполнена в виде позиционно-чувствительных фотоприемников, оптически сопряженных с соответствующими гранями волоконного параллелепипеда. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна.

Патент Российской Федерации №2119178, МПК G 01 Т 3/06, Пономарев-Степной Н.Н., Тарабрин Ю.А., Яковлев Г.В., Бюл. №26, 1998 г. Прототип.

Прототип сложен для реализации, имеет сравнительно низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации только быстрых нейтронов.

В портативной установке для неразрушающего контроля материалов и изделий используются источники радиационных излучений, характеризующиеся малым размером излучающей области. Причем плотность излучения источника уменьшается с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния до источника. При размере исследуемого объекта, сравнимом с расстоянием до источника радиационного излучения, объект облучается коническим пучком. В этом случае указанные аналоги и прототип имеют плохое пространственное разрешение для периферийных областей объекта.

Детекторы должны располагаться на больших от источника расстояниях, при которых пучок можно считать параллельным. При этом уменьшается производительность контроля.

Для полного использования излучения, сокращения времени контроля, уменьшения наведенной в объекте активности исследуемый объект и детектор излучения располагают на возможно меньшем расстоянии, при этом объект облучают коническим пучком излучения.

При использовании известных детекторов повышение эффективности за счет толщины экрана-преобразователя ограничено происходящей потерей пространственного разрешения: чем больше эффективность, тем меньше пространственное разрешение. Для достижения максимальной эффективности регистрации быстрых 14 МэВ нейтронов толщина экрана должна составлять 10-12 см. При расстоянии между источником нейтронов и экраном, равном 0,5 м, для детектора с экраном толщиной 10 см и диаметром 20 см пространственное разрешение на периферии детектора ухудшится до значения ˜1,8 см.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей.

Технический результат достигается тем, что в детекторе проникающих излучений, содержащем люминесцентный модуль и оптическую систему регистрации выходящего из него излучения, и фотоприемники, модуль выполнен в виде люминесцентного оптически прозрачного экрана-преобразователя в форме усеченных конуса или пирамиды, набранных из люминесцентных волокон, а оптическая система регистрации излучения содержит отклоняющее зеркало и последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив, а фотоприемники выполнены в виде ПЗС-матрицы.

Люминесцентные волокна выполнены в виде усеченных конусов или пирамид.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена оптическая схема радиографического детектора для конического нейтронного пучка, где: 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - экран-преобразователь, выполненный в виде волоконно-оптической усеченного конуса или усеченной пирамиды, 3 - отклоняющее зеркало, 4 - входной объектив, 5 - усилитель изображения, 6 - масштабирующий объектив, 7 - ПЗС-матрица.

Работа устройства основана на использовании волоконно-оптического люминесцентного экрана-преобразователя 2, выполненного в виде усеченной пирамиды или усеченного конуса и проекционной оптики. Люминесцентные волокна, из которых состоит экран-преобразователь 2, также имеют форму усеченной пирамиды или усеченного конуса. Экран-преобразователь 2 изготовлен таким образом, что оси волокон пересекаются в месте расположения нейтронного источника 1 (или предполагаемого источника при поиске). Прямоугольное сечение (около 1×1 мм) волокон обеспечивает достаточно высокую (примерно 90%) плотность их упаковки в экране. В случае конических волокон плотность их упаковки в экране ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации. Волокна экрана-преобразователя 2 изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку.

Макетный образец детектора нейтронов имеет экран сечением 150×150 мм. Протяженность экрана вдоль нейтронного пучка составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 2 в результате облучения быстрыми нейтронами, переносится по волокнам на поверхность, обращенную в сторону проекционного объектива 4, а затем с его помощью на усилитель изображения 5 и далее с помощью масштабирующего объектива 6 на ПЗС-матрицу 7. В отличие от известных приемников других типов устройство с волоконно-оптическим экраном-преобразователем 2 является более универсальным, так как его конструкция обеспечивает возможность использования различных типов экранов: дисперсных экранов при регистрации быстрых нейтронов, а также люминесцентных экранов для тепловых нейтронов и рентгеновского излучения.

Источник быстрых нейтронов 1 располагают в точке, лежащей на нормали к центру люминесцентного экрана-преобразователя 2. Исследуемый образец (на чертеже не показан) устанавливают между источником 1 и экраном-преобразователем 2. При регистрации рентгеновского и гамма-излучений он выполнен из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др. Эффективность регистрации обеспечивается протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.

Использование: для дефектоскопии материалов и изделий радиационными методами, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д. Сущность: заключается в том, что люминесцентный модуль выполнен в виде люминесцентного оптически прозрачного экрана-преобразователя в форме усеченных конуса или пирамиды, набранных из люминесцентных волокон, оси которых пересекаются в месте расположения источника проникающих излучений, а оптическая система регистрации излучения содержит отклоняющее зеркало и последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив, а фотоприемники выполнены в виде ПЗС-матрицы. Технический результат: повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Детектор проникающих излучений, содержащий люминесцентный модуль и оптическую систему регистрации выходящего из него излучения, и фотоприемники, отличающийся тем, что люминесцентный модуль выполнен в виде люминесцентного оптически прозрачного экрана-преобразователя в форме усеченных конуса или пирамиды, набранных из люминесцентных волокон, оси которых пересекаются в месте расположения источника проникающих излучений, а оптическая система регистрации излучения содержит отклоняющее зеркало и последовательно расположенные входной проекционный объектив, усилитель изображения, масштабирующий объектив, а фотоприемники выполнены в виде ПЗС-матрицы.2. Детектор проникающих излучений, отличающийся тем, что люминесцентные волокна выполнены в виде усеченных конусов или пирамид.