ЭКРАН-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01T1/20 G01N23/02 

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.

Известен волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

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 волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна. Патент Российской Федерации №2119178, МПК G 01 Т 3/06, бюл. №26, 1998 г.

Этот модуль 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 используют 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 облучают коническим пучком.

В этом случае указанные аналоги не обеспечивают пространственное разрешение для периферийных областей объекта.

Известные детекторы должны располагаться на достаточно больших от источника расстояниях, при которых пучок может считаться параллельным. При этом уменьшается производительность контроля.

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

Для обеспечения высокой эффективности регистрации излучения в детекторе необходимо использовать протяженные вдоль пучка экраны-преобразователи.

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 максимально возможной эффективности регистрации, например, 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 примерно 1,8 см.

Известен экран-преобразователь проникающего излучения, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися капиллярными каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, или цилиндра, или призмы, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению. Патент Российской Федерации №2239822, МПК G 01 N 23/04, бюл. №31, от 10.12.2004. Прототип.

Прототип сложен в изготовлении, предназначен для работы с протяженным источником излучения, по существу является лишь коллиматором излучения и только средство, чувствительное к излучению, позволяет его считать экраном-преобразователем. Прототип позволяет выявлять и преобразовывать только один вид излучений.

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

Технический результат достигается тем, что в экране-преобразователе проникающего излучения, выполненном в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, или цилиндра, или призмы, на одном торце которого расположено средство чувствительное к излучению, каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, каналы скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды.

Средство для регистрации излучения с другим спектром расположено на меньшем торце скомпонованного пакета в виде слоя люминофора.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлена оптическая схема радиографического детектора для конического нейтронного пучка, где: 1 - источник быстрых нейтронов, 2 - экран-преобразователь, выполненный в виде волоконно-оптического усеченного конуса или усеченной пирамиды, 3 - отклоняющее зеркало, 4 - проекционный объектив, 5 - усилитель изображения, 6 - масштабирующий объектив, 7 - ПЗС-матрица.

На фиг.2 представлен поперечный разрез экрана-преобразователя 2, где: 8 - волокна, 9 - слой люминофора.

Для того чтобы экран-преобразователь 2 был максимально эффективен, осевые линии волокон 8 должны пересекаться в одной точке, а именно в центре, где будет расположен источник излучения, а каждое волокно должно быть в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды. В последнем случае плотность упаковки волокон 8 в экране-преобразователе 2 составит 90%. При выходном сечении волокна 1×1 мм² входное сечение волокна должно составлять 0,8×0,8 мм².

Прямоугольное сечение (около 1×1 мм) волокон 8 также обеспечивает высокую (примерно, 90%) плотность их упаковки в экране-преобразователе 2. В случае цилиндрических и конических волокон плотность их упаковки в экране-преобразователе 2 ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации.

Волокна 8 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, переносится по волокнам 8 на поверхность экрана-преобразователя 2, обращенную в сторону отклоняющего зеркала 3, которым передается на проекционный объектив 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 вместо него и других типов экранов: дисперсных экранов при регистрации быстрых нейтронов, а также люминесцентных экранов для тепловых нейтронов и рентгеновского излучения. Эти экраны имеют толщину от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров. Их устанавливают в фокальной плоскости проекционного объектива 4, совпадающей с большим торцом конического экрана-преобразователя 2.

При радиографии источник быстрых нейтронов 1 располагают в точке пересечения осей всех волокон 8. Исследуемый образец (не показан) устанавливают между источником 1 и экраном-преобразователем 2.

При регистрации быстрых нейтронов волокна 8 экрана-преобразователя 2 выполнены из люминесцирующего полистирола. При регистрации тепловых нейтронов - из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма-излучений волокна 8 выполняют из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: вольфрамат германия, иттриевый гранат и др.

Для обеспечения плотной упаковки волокон в экране-преобразователе 2 сечение волокна 8 должно быть квадратным. Величина сечения определяется с учетом размера экрана (150×150), количества элементов ПЗС-матрицы 7 (560×768), а также пространственного разрешения детектора (примерно 1,5 толщины волокна). Для указанных размеров сечение волокна должно составлять около 1×1 мм².

Волокна 8 экрана-преобразователя 2 изготовлены из полистирола и могут иметь светоотражающую оболочку. Светоотражающая оболочка может быть выполнена в виде тонкого слоя серебристой краски. Наличие оболочки обеспечивает полное внутреннее отражение световой вспышки при ее распространении вдоль волокна 8.

Макетный образец детектора нейтронов имеет экран-преобразователь 2 с входным сечением 150×150 мм и выходным сечением около 200×200 мм. Протяженность экрана-преобразователя 2 составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 2 в результате облучения быстрыми нейтронами, переносится по волокнам 8 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.

Для регистрации быстрых нейтронов обычно используют полимерные оптические волокна 8, в частности из люминесцирующего полистирола.

При регистрации тепловых нейтронов - из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма излучений оптические волокна выполняют из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: германат висмута, иттриевый гранат и др.

Средство для регистрации излучения, расположенное на меньшем торце скомпонованного пакета в виде слоя люминофора 9, изготовлено из известных люминесцентных материалов, чувствительных к различным видам излучения.

Для регистрации тепловых нейтронов слой люминофора 9 изготовлен из светосоставов: ⁶LiF ZnS:Ag или Gd₂O₂S:Tb, или ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb, или ¹⁰BZnS:Ag.

В случае использования светосостава ⁶LiF ZnS:Ag ядро изотопа лития захватывает тепловой нейтрон и излучает тритон, и альфа частицы, которые и вызывают сцинтилляционное свечение сульфида цинка.

В случае использования светосостава Gd₂O₂S:Tb или ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb ядро ¹⁵⁷Gd захватывает нейтрон и излучает конверсионный электрон, который возбуждает сцинтилляционное свечение в светосоставе. Для регистрации рентгеновских и гамма-квантов использован светосостав Gd₂O₂S:Tb. В таком светосоставе под действием рентгеновских и гамма-квантов возникают заряженные частицы: электроны и позитроны, которые и вызывают сцинтилляционное свечение Gd₂O₂S:Tb. Возникшее свечение по волокнам 8 передается к большему торцу экрана-преобразователя 2, обращенного 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.

Эффективность регистрации обеспечивается протяженностью экрана-преобразователя 2 вдоль направления распространения излучения.

Для регистрации объектов с различными габаритами необходимо изготовить несколько экранов-преобразователей 2 с различными углами между образующими. При этом изменяется и расстояние от источника излучения 1 до торца экрана-преобразователя 2.

При изменении расстояния между источником излучения 1 и образцом необходимо использовать экран-преобразователь 2 с углом между образующими ϕ, который определяется поперечным размером торца экрана S и расстоянием от него до источника L:ϕ=S/L. Этим обеспечивается возможность исследовать объекты различного размера.

Экран-преобразователь проникающих излучений относится к конструктивным элементам устройств неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами, может быть использован для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и пространственного разрешения не только в параллельном, но и в коническом пучке, возможность радиографии коническим пучком объектов различных размеров, расширение функциональных возможностей детектора, регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, тепловых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей. Сущность изобретения: в экране-преобразователе проникающего излучения каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, каналы скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, а экран-преобразователь выполнен протяженным вдоль направления распространения излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Экран-преобразователь проникающего излучения, выполненный в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды с расходящимися каналами транспортировки излучения, стенки которых имеют форму боковой поверхности усеченных конуса, или пирамиды, или цилиндра, или призмы, на одном торце которого расположено средство, чувствительное к излучению, отличающийся тем, что каналы транспортировки излучения выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, каналы скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, а экран-преобразователь выполнен протяженным вдоль направления распространения излучения.2. Экран-преобразователь проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что средство, чувствительное к излучению с другим спектром, расположено на меньшем торце скомпонованного пакета в виде слоя люминофора.