ИЗМЕРИТЕЛЬ СПЕКТРОВ СИГНАЛОВ ОТКЛИКОВ АТОМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОНИКАЮЩЕЕ ОБЛУЧЕНИЕ Российский патент 2010 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано в научной измерительной аппаратуре, а также при разработке средств оперативного обнаружения и идентификации контрабандных материалов при таможенном досмотре, патрулировании государственных границ.

В настоящее время для экспресс-анализа контрабандных материалов развиваются методы их активного облучения с целью увеличения скорости деления и последующей регистрации сигналов откликов либо мгновенной, либо запаздывающей реакции веществ на проникающее облучение. При этом выявление сигнатурных признаков контрабандного материала базируется на измерении амплитудно-временных зависимостей между мгновенной и запаздывающей реакцией вещества на облучение. Для идентификации атомных элементов используют корреляционный анализ амплитудно-временных сигналов. Преобразование проникающей радиации в электрический сигнал осуществляют посредством детекторов-дискриминаторов.

Известно "Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения" - Патент RU №2264674, H01J, 47/02, G01T, 1/185, 2003 г. - аналог. Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, в качестве катода использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон, при давлении 40-50 атм и соответственно с плотностью 0.3-0.6 г/см³ с добавлением водорода в количестве 0.2-0.3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования σ≈(3÷5)%.

Сигнал на выходе устройства-аналога пропорционален суммарной мощности потока гамма-нейтронного излучения, что не позволяет, в последующих трактах, разделить этот поток на составляющие по энергетическому спектру отдельных гамма-квантов.

Известны промышленные разработки детекторов-измерителей спектров уровней мощности гамма-излучения: блоки детектирования БДРС, БДЕГ-19П, гамма-детектор-сцинтиллятор CsJ(TI) - фотодиод ФД1001 (http://www.detector.org.ua/detectors.html) - аналоги.

Недостатками аналогов являются:

- невозможность однозначного измерения формы энергетического спектра сигнала отклика;

- малое эффективное сечение (размер апертуры) датчика-преобразователя и, как следствие, - недостаточная чувствительность измерителей.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является "Сцинтилляционный детектор с оптоволоконным съемом информации" разработки ГНЦ ИФВЭ (г.Протвино и ФИАН РАН), серийно производимый ГНЦ ИФВЭ [см. материалы 30-й ВККЛ, Санкт-Петербург, 2008 г.] (http://theory.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/2008_StPetersberg/RCRC2008/PROC/E AS/EAS_20.pdf). Он представляет собой двухслойную сборку сцинтилляционных пластин общей площадью 1 м². Каждый слой собран из пластин 20×20×0.5 см³. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон - файберов. В каждой пластине имеется 4 канавки с шагом 3.6 см глубиной 2.2 мм на расстоянии 4.6 см от краев. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен вплотную к фотокатоду фотоэлектронного умножителя.

Недостатком ближайшего аналога является невозможность выделить энергетический спектр исходного сигнала на выходе счетчика после усиления общего светового потока фотоэлектронным умножителем.

Задача, решаемая заявляемым измерителем, состоит в достоверной регистрации энергетического спектра исходного сигнала отклика атомного элемента на зондирующее облучение путем последовательного пропорционального преобразования потока радиации в ультрафиолетовый спектр, а ультрафиолетового спектра в световой поток видимого диапазона с последующим измерением амплитуды спектральных составляющих пропусканием светового потока через линейно-перестраиваемый акустооптический фильтр с регулируемой длительностью импульса пилообразного напряжения развертки.

Техническое решение задачи осуществляется тем, что измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, содержащий сборку сцинтилляционных пластин, преобразующих поток радиации отклика в спектр ультрафиолетового излучения, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, спектросмещающие ультрафиолетовое излучение в спектр видимого диапазона, торец жгута файберов, преобразователь светового потока в электрический сигнал, дополнительно к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая диаметр светового пучка для ввода его в акустооптический фильтр, генератор накачки фильтра с подключенными к нему реактивным элементом и генератором пилообразного напряжения для линейного изменения частоты настройки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов генератора пилообразного напряжения путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - последовательность спектров сигналов: 1) энергетический спектр излучения отклика, 2) спектр ультрафиолетового преобразования энергетического спектра сцинтилляционными пластинами, 3) спектр видимого диапазона на выходе файберов;

фиг.3 - динамика перестройки акустооптического фильтра генератором накачки;

фиг.4 - реализации регистрируемых спектров атомных элементов.

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, фиг.1, содержит сборку сцинтилляционных пластин 1, волокна-файберы 2, уложенные в профильные канавки пластин, собранные в жгут 3 отводы оптического волокна от файберов, светособирающая линза 4 для ввода светового потока в акустооптический фильтр 5, генератор накачки 6 для перестройки частоты фильтра, реактивный элемент 7 генератора накачки 6, генератор пилообразного напряжения 8 для линейной девиации частоты генератора накачки, лавинный фотодиод 9, аналого-цифровой преобразователь 10, буферное запоминающее устройство 11, персональный компьютер 12 в составе элементов: процессор 13, оперативное запоминающее устройство 14, винчестер 15, дисплей 16, принтер 17, клавиатура 18. Синхронизация работы элементов измерителя осуществляется телекоммуникационной программой, записанной в винчестер 15. Телекоммуникационная программа реализует функции: запуск генератора зондирующего пучка с регулируемой длительностью и скважностью пачки зондирующих импульсов, регулирование длительности импульса пилообразного напряжения в зависимости от длительности пачки зондирующих импульсов, пересылку оцифрованных измерений из АЦП 10 и буферного ЗУ 11 в ОЗУ 14 для обработки зарегистрированных спектров сигналов на компьютере 12.

Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Атомные элементы отличаются энергией связи ядра, высвобождаемой при ядерных реакциях. Диапазон энергии излучаемых гамма-квантов и частиц занимает интервал от 1.1 МэВ до 8.8 МэВ. Энергия связи ядер атомных элементов и их изотопов иллюстрируется таблицей 1.

Таблица 1 Ядро Энергия связи Е_св, МэВ Отношение Е_св к массовому числу, МэВ ₁H² 2.2 1.1 ₁H³ 8.5 2.83 ₂Не³ 7.7 2.57 ₂Не⁴ 28.3 7.075 ₈Li⁶ 32 5.33 ₈Li⁷ 39.2 5.6 ₄Ве⁹ 58.2 6.47 ₄Ве¹¹ 76.2 6.93 ₇N¹⁴ 104.7 7.48 ₆C¹² 92.2 7.68 ₈O¹⁶ 127.6 7.975 ₁₃Al²⁷ 225.0 8.33 ₂₆Fe⁵⁶ 492.2 8.79 ₈₆Ru²²² 1708.2 7.69 ₉₂U²³⁵ 1783.8 7.59 ₉₄Pu²³⁹ 1806.9 7.56

Селектируемыми признаками при идентификации атомных элементов могут быть:

- энергетический спектр частиц и квантов при распаде ядра;

- соотношение между спектрами мгновенного и запаздывающего излучения;

- форма сигнала регистрируемого спектра, т.е. амплитудные соотношения между спектральными линиями.

В заявленном измерителе для измерения формы спектра сигналов откликов атомных элементов используют последовательное пропорциональное спектросмещение (фиг.2):

- энергетического спектра сигнала отклика в спектр ультрафиолетового излучения посредством сборки (1) сцинтилляционных пластин из твердого раствора антрацена (С₁₄Н₁₀) в полистироле, дающих максимальный световой выход. Поскольку интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, то данная сборка используется в качестве первичного спектрометра;

- спектра ультрафиолетового излучения в спектр видимого диапазона посредством оптического волокна-файбера 2.

Поверхность файберов покрыта тонким слоем вещества люмогена, преобразующего УФИ в видимый диапазон. Типы файберов (конверторов), преобразующих УФИ (13-350 нм) в видимый диапазон (405-610 нм) (см. http://www.metrolux.de/contenido/cms/uv-and-ir-converter/)

Спектр видимого диапазона посредством светособирающей линзы 4 преобразуют в световой пучок диаметром порядка 5 мм для ввода в перестраиваемый акустооптический фильтр 5 типа (промышленные разработки) СВ FOTF (Aurora), LAOTF (Bellcore) с полосой пропускания на уровне 3 дБ (1…1,6 нм) [см., например, Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения. - М: Компания Сайрус Системс, 1999, с.180-182].

Акустооптический фильтр представляет собой кристалл (пьезоэлектрик), в котором под воздействием СВЧ-генератора накачки в диапазоне 60-70 МГц наблюдается анизотропная дифракция Брегга, т.е. формируется дифракционная решетка с изменяющимся показателем преломления, благодаря чему достигается перестраиваемая фильтрация.

Линейную девиацию частоты СВЧ-генераторов метрового диапазона волн (60…70 МГц) осуществляют подключением реактивного элемента (типа реактивной лампы) по схеме [см. "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1968. - с.50, рис.12-78, Реактивная лампа]. Девиация частоты достигается подачей дополнительного смещения на сетку в виде пилообразного напряжения развертки.

Генератор пилообразного напряжения развертки с возможностью подачи на его вход синхронизирующих импульсов [см. там же "Справочник по радиоэлектронике", с.238, рис.15-52].

Динамика перестройки акустооптического фильтра накачкой его СВЧ-генератором с девиацией частоты пилообразными импульсами развертки иллюстрируется диаграммами фиг.3.

Другие элементы устройства выполнены на серийных промышленных разработках: лавинный фотодиод типа APD (чувствительность ~10^-15 относительно темнового тока), аналого-цифровой преобразователь, микросборка П-267, буферное запоминающее устройство, микросборка ЛА-20 [см. Якубовский Б. и др. цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990].

Поскольку точность синхронизации элементов устройства должна составлять нс, телекоммуникационная программа реализована на специальном быстродействующем компьютере типа семейства компьютеров Ultra компании Sun Microsystems (НИИ системных исследований РАН) [см. http://www.solariscentral.org].

Реализации зарегистрированных спектров сигналов откликов в виде амплитудно-частотных характеристик видимого диапазона иллюстрируется графиками фиг.4.

Эффективность измерителя определяется достоверностью идентификации атомного элемента. Имеется возможность набора статистических данных по формам АЧХ-спектров для создания базы эталонных сигналов. При наличии эталонной базы достоверную идентификацию атомных элементов проводят по амплитуде, длительности и форме, что превосходит известные аналоги.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в научно-измерительной аппаратуре, а также при разработке средств оперативного обнаружения и идентификации контрабандных материалов. Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение содержит сборку сцинтилляционных пластин, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая световой пучок для ввода в акустооптический фильтр с линейным изменением частоты настройки от генератора накачки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов линейной перестройки акустооптического фильтра от генератора накачки путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы. Технический результат - повышение точности измерений формы спектров сигналов откликов для достоверной идентификации атомных элементов. 4 ил., 1 табл.

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, содержащий сборку сцинтилляционных пластин, преобразующих поток радиации отклика в спектр ультрафиолетового излучения, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, спектросмещающие ультрафиолетовое излучение в спектр видимого диапазона, торец жгута файберов, преобразователь светового потока в электрический сигнал, отличающийся тем, что к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая диаметр светового пучка для ввода его в акустооптический фильтр, генератор накачки фильтра с подключенными к нему реактивным элементом и генератором пилообразного напряжения для линейного изменения частоты настройки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов генератора пилообразного напряжения путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы.