СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОНОВ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2014 года по МПК G01T3/00 

Область техники и уровень техники

Настоящее изобретение касается способа определения спектрального и пространственного распределения фотонов тормозного излучения, а также соответствующего устройства.

Изобретение находит свое применение, например, в области рентгенографии, медицинских устройств получения изображений, томографии, не разрушающего исследования радиоактивных объектов, производства нейтронных потоков повышенной интенсивности и т.д.

Получение нейтронов при помощи ускорителя электронов является известной технологией, которая позволяет добиваться сильных нейтронных потоков. Получение нейтронов из электронов осуществляют посредством пучка фотонов: нейтроны, выходящие из ускорителя, попадают на первую мишень, называемую тормозной мишенью, которая испускает фотоны, после чего испускаемые таким образом фотоны направляются на вторую мишень, называемую конверсионной мишенью, которая испускает нейтроны.

В рамках технологий измерения, использующих такие ускорители электронов, необходимо точно знать спектральное и пространственное распределение излучаемых фотонов, а также поведение системы, состоящей из детектора и электроники сбора данных.

Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет удовлетворить эту потребность.

Раскрытие изобретения

Объектом настоящего изобретения является способ определения спектрального и пространственного распределения по меньшей мере вдоль одной оси, потока фотонов тормозного излучения, получаемых в результате взаимодействия импульсов электронов на тормозной мишени. Способ включает:

- в первой точке оси первое измерение нейтронов, которое происходит в результате интегрирования сигналов обнаружения и подсчета нейтронов, при этом каждый сигнал обнаружения и подсчета нейтронов получают в результате попадания фотонов тормозного излучения на первую конверсионную мишень, центрованную по указанной первой точке, при этом первая конверсионная мишень является чувствительной к фотонам, имеющим энергию, по существу превышающую первый энергетический порог, при этом нейтроны, участвующие в формировании сигнала обнаружения и подсчета, обнаруживают и подсчитывают во временном интервале, заключенном между двумя последовательными импульсами электронов,

- последовательные перемещения первой конверсионной мишени в различные точки оси, при этом измерение нейтронов, соответствующее измерению нейтронов в первой точке оси, производят в каждой из различных точек оси, и

- последовательность измерений нейтронов, соответствующих измерениям в указанной первой точке и в указанных различных точках, при помощи последовательности различных конверсионных мишеней, связанных с энергетическими порогами, отличающимися друг от друга и отличными от первого энергетического порога.

Объектом настоящего изобретения является также устройство определения спектрального и пространственного распределения, по меньшей мере, вдоль одной оси, потока фотонов тормозного излучения, получаемых в результате взаимодействия импульсов электронов на тормозной мишени, отличающееся тем, что содержит:

- систему конверсии и обнаружения нейтронов, содержащую, по меньшей мере, две конверсионные мишени, каждая из которых выполнена с возможностью генерирования нейтронов, индуцируемых действием фотонов тормозного излучения, при этом каждая конверсионная мишень является чувствительной к фотонам, имеющим энергию, по существу превышающую энергетический порог, отличающийся от одной конверсионной мишени к другой, и блок измерения, который содержит один или несколько детекторов на гелии ³Не для обнаружения и подсчета индуцированных нейтронов, генерируемых каждой конверсионной мишенью, при этом детекторы на гелии ³Не находятся в замедлителе нейтронов, при этом замедлитель нейтронов окружен поглотителем тепловых нейтронов, при этом каждую конверсионную мишень последовательно позиционируют на стороне поглотителя тепловых нейтронов, обращенной к тормозной мишени,

- электронную схему обработки, которая обрабатывает сигналы, поступающие от системы конверсии и обнаружения нейтронов, при этом электронная схема обработки содержит средства для управления обнаружением и подсчетом нейтронов во временных интервалах, заключенных между двумя последовательными импульсами электронов, и

- средства для перемещения системы конверсии и обнаружения нейтронов вдоль оси.

Преимуществом способа в соответствии с настоящим изобретением является возможность определения и проверки в онлайновом режиме нормальной работы и отсутствия ухода ускорителя электронов. Предпочтительно измерение нейтронов позволяет определять стабильность фотонного пучка, по меньшей мере, в его интегральном аспекте, то есть его интенсивность и его энергию (то есть его мощность).

Предпочтительно способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет также получать характеристики фотонной составляющей при помощи измерения наведенной нейтронной составляющей (коэффициент усиления контраста).

Нормальная пространственная характеристика фотонного потока, получаемая при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением, позволяет также оптимизировать конверсионную мишень, предназначенную для производства нейтронов.

Кроме того, известно, что прямой запрос при помощи фотонного пучка тормозного излучения, направленный на характеризуемый материал, представляет особый интерес. Предпочтительно, нормальная характеристика фотонных пучков тормозного излучения, достигаемая при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением, позволяет получить наилучшие результаты для характеристики материалов. В частности, это позволяет оптимизировать работу и сократить время измерений и, следовательно, уменьшить расходы.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - вид в перспективе блока измерения нейтронов, используемого в устройстве в соответствии с настоящим изобретением, показанном на фиг.1;

фиг.3 - пример стенда перемещения, используемого для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 - пример спектрального и пространственного распределения фотонов тормозного излучения, полученного при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 - пример соотношения R, получаемого для различных значений энергии фотонов тормозного излучения и различных нормированных значений измеряемого сигнала.

На всех фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

На фиг.1 показано устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.

Устройство содержит средство для создания фотонов тормозного излучения и средство для измерения по меньшей мере вдоль одной оси пространства спектрального и пространственного распределения создаваемых таким образом фотонов.

Средство для создания фотонов тормозного излучения содержит ускоритель 1 электронов и тормозную мишень 2, установленную в держателе 3 мишени. Ускоритель 1 испускает электроны е^- в виде импульсов. Частота импульсов составляет, например, от 10 Гц до 300 Гц, а ширина импульсов равна, например, 4,5 мкс. Электроны имеют энергию, равную, например, 6 МэВ, 9 МэВ или 11 МэВ. Взаимодействуя с тормозной мишенью 2, например с вольфрамовой мишенью, электроны производят фотоны ph тормозного излучения.

Средство для измерения спектрального и пространственного распределения фотонного пучка содержит систему 6 конверсии и обнаружения нейтронов и электронную схему 9 обработки, при этом система 6 конверсии и обнаружения нейтронов содержит по меньшей мере две конверсионные мишени 5 и блок 10 измерения, при этом конверсионные мишени устанавливаются одна за другой на блоке 10 измерения. Каждая конверсионная мишень выполнена с возможностью генерирования наведенных нейтронов за пределами определенного энергетического порога фотонного пучка ph, при этом связанный с мишенью энергетический порог отличается от одной мишени к другой. Блок 10 измерения измеряет нейтроны, генерируемые каждой конверсионной мишенью 5. Блок измерения 10 содержит один или несколько детекторов 8, работающих на гелии ³Не, содержащихся в замедлителе 7 нейтронов, который окружен поглотителем 4, поглощающим тепловые нейтроны (нейтроны с очень низкой энергией). Выполненный таким образом блок детектора является чувствительным только к быстрым нейтронам и поэтому лишь незначительно подвержен влиянию окружающей среды и влиянию действия замедления, которое она оказывает на нейтроны.

Конверсионную мишень 5 устанавливают на стороне поглотителя 4, обращенной к тормозной мишени 2. Как показано на фиг.2, конверсионную мишень 5 позиционируют с центровкой на стороне поглотителя 4 для оптимизации обнаружения фотонов ph. Нормаль к поверхности стороны 4 в центральной точке конверсионной мишени 5 определяет ось х. Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения гелиевые детекторы 8 сгруппированы попарно и образуют три канала измерения - один передний канал и два задних канала. Электронная схема 9 обработки является быстродействующим электронным устройством, которое для каждого канала измерения i (i=l, 2, 3) содержит усилитель типа ADSF А (1=1, 2, 3) (ADSF является сокращением от «усилитель-дискриминатор порог-окно»).

Измерения нейтронов производят в интервалы времени, которые позволяют пренебрегать фотонами тормозного излучения, излучаемыми во время электронных импульсов. Предпочтительно эти интервалы времени выбирают таким образом, чтобы предоставить достаточно времени для нейтронных детекторов и для электронных схем обработки, чтобы эти детекторы и эти схемы могли в полной мере проявить все свои свойства обнаружения.

Действительно, фотоны тормозного излучения возникают почти мгновенно во время взаимодействия электронов с тормозной мишенью 2. Таким образом, фотоны тормозного излучения излучаются с таким же распределением во времени, что и электроны, то есть с такой же шириной импульса и с такой же частотой повторения. Следовательно, эти фотоны тормозного излучения присутствуют в течение всей ширины электронных импульсов, которая обычно колеблется от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд. Во время электронных импульсов детекторы нейтронов полностью ослеплены появляющимися в результате этого фотонными импульсами и, следовательно, не работают. Только спустя несколько десятков микросекунд после прекращения фотонного импульса детекторы нейтронов восстанавливают все свои свойства. Таким образом, измерение фотонно-нейтронной составляющей происходит только между фотонными импульсами и предпочтительно во временные интервалы, выбираемые таким образом, чтобы электроника обработки могла проявить свои свойства обнаружения. Для этого электронная схема 9 обработки содержит средства М управления, которые подают команду С на электронные схемы обнаружения, которая блокирует обнаружение и подсчет нейтронов за пределами этих временных интервалов. При данном положении системы 6 преобразования и обнаружения нейтронов цикл измерений содержит интегрирование последовательности сигналов обнаружения и подсчета нейтронов, измеряемых между последовательными импульсами электронов.

Например, но не ограничительно, измерения осуществляют при частоте импульсов электронов, равной 90 Гц, при этом производят 5400 циклов измерения, и время сбора данных через один канал измерения равно 10 мкс.

Предусмотрены средства, позволяющие перемещать систему 6 конверсии и обнаружения нейтронов по меньшей мере вдоль одной оси пространства. Перемещение производят, например, по меньшей мере в одном из трех перпендикулярных направлений пространства, образованного прямым трехгранником (х, у, z), при этом ось х является определенной выше осью. В качестве примера на фиг.3 показан стенд В перемещения, управляемый дистанционно и перемещающий систему 6 конверсии и обнаружения нейтронов вдоль оси у с шагом 50 мм между первым крайним положением А, находящимся на -500 мм относительно центрального положения абсциссы у=0, и вторым крайним положением U, находящимся на +500 мм относительно центрального положения.

Конверсионная мишень 5 выполнена из материала, который способен генерировать наведенные нейтроны за пределом определенного энергетического порога пучка фотонов ph и, следовательно, за пределом определенного энергетического порога электронов е^-. Таким образом, последовательно выбирают различные мишени, адаптированные к разным энергетическим порогам электронов, для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, что позволяет определять распределение потока фотонов в широком диапазоне энергии. Мишень 5 может быть, например, мишенью из урана ²³⁸U для значений энергии электронов, превышающих 6 МэВ, и мишенью из бериллия Be для значений энергии, превышающих 1,67 МэВ.

На фиг.4 показан пример спектрального и пространственного распределения, полученного при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением. Детектор на гелии ³Не, оборудованный конверсионной мишенью из урана ²³⁸U, перемещают перед тормозной мишенью вдоль оси у, которая удалена по существу на 1 м от тормозной мишени 2. Перемещение мишени осуществляют между отметками -500 мм и +500 мм с шагом 50 мм (см. фиг.3). Мишень представляет собой урановую пластинку круглой формы, радиус которой по существу равен 50 мм и толщина которой по существу равна 3 мм. Энергия электронов по существу равна 9 МэВ. На фиг.4 показано число импульсов, обнаруживаемых гелиевым детектором, в зависимости от угла θ раскрыва пучка (угол между осью х и осью, определяемой тормозной мишенью 2 и мишенью 5).

На фиг.5 для разных значений энергии электронов показано соотношение R при разных нормированных значениях сигнала, измеряемого при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением, в зависимости от перемещения мишени измерения. При данном положении устройства измерения соотношение R равно значению сигнала, измеряемого при данном положении, поделенному на максимальное значение сигнала, измеряемого на всех положениях. Перемещение мишени измерения осуществляют вдоль оси у, которая удалена по существу на 1 м от тормозной мишени 2. Перемещение мишени осуществляют между отметками -80 мм и +80 мм с шагом 10 мм. Кривые C1, C2 и С3 соответствуют энергии электронов, равной 6 МэВ, 9 МэВ и 11 МэВ. Полученный профиль является равномерным для всех значений энергии.

Результаты, показанные на фиг.4 и 5, касаются случая, когда мишень 5 измерения является мишенью из урана ²³⁸U. Как было указано выше, такую мишень предпочтительно используют для значений энергии электронов, превышающих или равных 6 МэВ, что является пороговой энергией изотопа ²³⁸U. Для значений энергии ниже 6 МэВ используют другие мишени, например мишени из бериллия Be.

Измеренный нейтронный сигнал, получаемый в результате взаимодействия фотонов с конверсионной мишенью, входит в нейтронный сигнал, характерный для работы ускорителя. Поэтому желательно осуществлять подсчет нейтронов в отсутствие мишени, чтобы измерить шум, характерный для нейтронного сигнала при работе ускорителя, и этот шум после этого вычитают из полезного сигнала. Для этого электронная схема обработки, соединенная с блоком 6 измерения, содержит схемы, выполненные с возможностью запоминания произведенных измерений и вычисления разности между сигналами, измеренными соответственно при наличии и при отсутствии конверсионной мишени.

Изобретение касается способа определения спектрального и пространственного распределения потока фотонов тормозного излучения, по меньшей мере, в одном пространственном направлении (х, у, z). Способ осуществляют путем измерения нейтронов, получаемых при попадании фотонов (ph) тормозного излучения по меньшей мере на одну конверсионную мишень (5), которую перемещают в указанном направлении (х, у, z). Технический результат - сокращение времени измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения спектрального и пространственного распределения по меньшей мере вдоль одной оси потока фотонов тормозного излучения, получаемых в результате взаимодействия электронных импульсов с тормозной мишенью (2), характеризующийся тем, что:
в первой точке оси выполняют первое измерение нейтронов путем интегрирования сигналов обнаружения и подсчета нейтронов, при этом сигналы обнаружения и подсчета нейтронов получают при попадании фотонов (ph) тормозного излучения на первую конверсионную мишень (5), центрованную по указанной первой точке, причем первая конверсионная мишень является чувствительной к фотонам с энергией, по существу превышающей первый энергетический порог, при этом обнаруживают и подсчитывают нейтроны, участвующие в формировании сигнала обнаружения и подсчета, во временном интервале, заключенном между двумя последовательными электронными импульсами,
последовательно перемещают первую конверсионную мишень (5) в различные точки оси, при этом в каждой из указанных различных точек оси выполняют измерение нейтронов, соответствующее указанному измерению нейтронов в первой точке оси, и
выполняют последовательность измерений нейтронов, соответствующих измерениям в указанной первой точке и в указанных различных точках, с множеством различных конверсионных мишеней, обладающих энергетическим порогом, отличающимся для различных мишеней и отличным от первого энергетического порога.

2. Способ по п.1, в котором первая конверсионная мишень является бериллиевой мишенью с первым энергетическим порогом, а вторая конверсионная мишень является мишенью из урана ²³⁸U со вторым энергетическим порогом, имеющим значение, превышающее значение первого порога.

3. Способ по п.1, в котором в указанном временном интервале и в каждой точке оси при отсутствии конверсионной мишени измеряют нейтронный сигнал, характерный для работы ускорителя (1) электронов, создающего фотоны тормозного излучения при взаимодействии электронов с тормозной мишенью (2), причем измерение нейтронного сигнала, характерного для работы ускорителя электронов, вычитают из сигнала обнаружения и подсчета нейтронов, измеряемого в присутствии конверсионной мишени.

4. Способ по п.1, в котором сигналы обнаружения и подсчета измеряют при помощи детекторного блока, работающего на гелии ³Не.

5. Устройство определения спектрального и пространственного распределения по меньшей мере вдоль одной оси потока фотонов тормозного излучения, получаемых в результате взаимодействия электронных импульсов с тормозной мишенью (2), характеризующееся тем, что содержит:
систему (6) конверсии и обнаружения нейтронов, содержащую по меньшей мере две конверсионные мишени (5), каждая из которых выполнена с возможностью генерирования нейтронов под действием фотонов тормозного излучения, при этом каждая конверсионная мишень (5) является чувствительной к фотонам, имеющим энергию, по существу превышающую энергетический порог, отличающийся для каждой конверсионной мишени, и блок (10) измерения, который содержит один или несколько детекторов (8) на гелии ³Не для обнаружения и подсчета нейтронов, генерируемых на каждой конверсионной мишени, при этом детекторы (8) на гелии ³Не находятся в замедлителе (7) нейтронов, а замедлитель (7) нейтронов окружен поглотителем (4) тепловых нейтронов, при этом каждая конверсионная мишень (5) последовательно позиционируется на стороне поглотителя (4) тепловых нейтронов, обращенной к тормозной мишени (2),
электронную схему (9) обработки, выполненную с возможностью обрабатывать сигналы, поступающие от системы (6) конверсии и обнаружения нейтронов, при этом электронная схема (9) обработки содержит средства для управления обнаружением и подсчетом нейтронов во временных интервалах, заключенных между двумя последовательными электронными импульсами, и
средства (В) для перемещения системы (6) конверсии и обнаружения нейтронов вдоль оси.

6. Устройство по п.5, в котором средства (В) для перемещения системы (6) конверсии и обнаружения нейтронов вдоль оси содержат стенд (В) перемещения, управляемый дистанционно.

7. Устройство по п.5 или 6, в котором первая конверсионная мишень является бериллиевой мишенью с первым энергетическим порогом, а вторая конверсионная мишень является мишенью из урана ²³⁸U со вторым энергетическим порогом, превышающим первый порог.