Способ защиты от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения и устройство для его осуществления (варианты) Российский патент 2023 года по МПК G01F1/00 

Изобретения относятся к области защиты от рентгеновской радиации, гамма-радиации и могут быть использованы для экранирования живых и технических (компоненты электронной и полупроводниковой аппаратуры) объектов защиты, характеризующихся их физической формой.

Известны способы защиты от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения с помощью экранирующей среды, установленной на пути распространения излучения к объекту защиты. В качестве такой экранирующей среды используются экраны из листового свинца, стали, просвинцованной резины, свинцового стекла, конструкционные изделия из радиационно-защитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. (Способ изготовления материала для защиты от рентгеновских и тому подобных лучей, заявка ТП-1391, 11.08.1936 Овакимяя А.Д, Рейхштадт М.Н МПК / G21F 1/00., 01.01.1937; патент RU №2563650, 20.09.2015, МПК В82В 3/00; патент RU №2 561 989 С1, МПК G21F 1/00 G21F, опубл. 10.09.2015.; патент RU №2 364 963, 20.08.2009, G21F 1/10.

Недостатками известных решений являются большая масса используемых экранирующих сред и необходимость в элементах с большим массовым числом для увеличения поглощательной способности защитных экранирующих сред.

Известен способ защиты от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения путем ослабления интенсивности такого излучения (патент RU №2 158 974, 10.11.2000, МПК: G21F 1/00), выбранный в качестве прототипа.

Способ включает ослабление экранирующей средой потока фотонов рентгеновского излучения и гамма-излучения путем воздействия на экранирующую среду внешними полями, способными переводить атомы и молекулы указанной среды в возбужденные состояния.

Недостатком данного способа защиты является необходимость поддержания атомов экранирующей среды в возбужденном состоянии при помощи внешнего поля, так как для этого требуется дополнительный источник электромагнитного излучения.

Известны устройства, отклоняющие поток рентгеновского излучения с помощью экранирующих сред, устанавливаемых на пути распространения излучения, таких как, представляющие собой поворотное зеркало со сферической поверхностью (А.В. Виноградов, В.М. Елинсон, В И. Жилина, Н.Н. Зорев, Г.Ф. Ивановский, И.В. Кожевников, М.Е. Плоткин, С.И. Сагитов, В.А. Слемзин, В.В. Слепцов, Поворот пучка мягкого рентгеновского излучения с помощью сферической поверхности, Докл. АН СССР, 1987, том 292, номер 3, стр. 594-596). Поворотное зеркало отклоняет узкий, падающий на поверхность зеркала поток рентгеновского излучения под малым углом скольжения на большой угол в процессе многократного отражения фотонов от поверхности зеркала.

Известны устройства, отклоняющие поток рентгеновского излучения с помощью экранирующих сред, устанавливаемых на пути распространения излучения, и представляющие собой изогнутые капилляры, выполненные в виде полых цилиндров малого радиуса. Такие устройства способны передавать и отклонять рентгеновское излучение на большой угол с помощью эффекта волноводного распространения.

(D. Mosher and S. J. Stephanakis. X-ray "light pipes". Appl. Phys. Lett. 29, 105 (1976); https://doi.Org/10.1063/l.88986" X-ray "light pipes"; "Masanobu Watanabe, Isao H.Suzuki, Takehiko Hidaka, Morotake Nishi, and Yoshinobu Mitsuhashi. Soft x-ray transmission characteristics of hollow-core fused-quartz fibers. Appl. Opt. / Vol. 24, No. 23 / p. 4206, (1985)"; "M.H. Оруджалиев, В.А. Бушуев. Распространение рентгеновского излучения в изогнутых капиллярах. ЖТФ Т. 61, в. 2, с. 51, 1991")

Недостатки этих отклоняющих рентгеновское излучение устройств заключаются в малой угловой апертуре захвата отклоняемого излучения, что не позволяет выполнить защиту от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения объектов, размеры которых больше диаметра капилляра.

Известно устройство для отклонения рентгеновского пучка (патент SU №1621084, 13.10.1988, G21K 1/06), выбранное в качестве прототипа.

Устройство для отклонения рентгеновского пучка на основе многократного полного внешнего отражения содержит экранирующую среду, образованную двумя параллельными упругими пластинами с полированной внутренней поверхностью, дистанцированными одна от другой.

Недостатки устройства состоят в том, что площадь входного окна для входа излучения достаточно мала и не может обеспечить защиту защищаемого объекта, форма и габариты которого превосходят размер окна.

Известно устройство, отклоняющее рентгеновское и гамма излучение с помощью экранирующей среды, выбранное в качестве прототипа, изложенное в работе (М. Watanabe, Т. Hidaka, Н. Tanino, К. Hoh, and Y. Mitsuhashi. Vacuum ultraviolet light transmission through hollow-core quartz-glass cladding optical fibers. Appl. Phys. Lett. 45 (7), p. 725, 1984)

Устройство содержит экранирующую среду, представляющую собой полые цилиндрические, изогнутые на разный радиус волноводы с оболочкой из кварцевого стекла, закрепленные в стальном листе и отклоняющие рентгеновское и гамма излучение на разные углы, в зависимости от радиуса изгиба.

Недостатки устройства заключаются в малой площади входа излучения, что не позволяет его использовать в целях защиты габаритного объекта защиты.

Изобретения решают задачу: защиты объекта от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения путем волноводного отклонения указанного проникающего излучения экранирующей средой, установленной на пути распространения излучения к объекту защиты с одновременным улучшением массогабаритных характеристик используемых экранирующих сред.

Для этого в способе защиты от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, экранирующей средой, установленной на пути распространения излучения к объекту защиты, осуществляют волноводное отклонение рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения от объекта защиты, заключающееся в многократном полном внешнем отражении указанного излучения.

В устройстве для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, экранирующая среда, устанавливаемая на пути распространения излучения к объекту, образована скрепленными между собой изогнутыми листовыми полированными внутренними поверхностями, установленными параллельно и разнесенными относительно друг друга на расстояние а, при этом угол скольжения между направлением падающего излучения и поверхностью листа равен или меньше угла полного внешнего отражения для материала листовой поверхности, и представляет собой многослойную структуру, включающую N листовых поверхностей, где Z - наибольший размер объекта защиты, а - расстояние между листовыми поверхностями, определяемое из соотношения где радиус изгиба листов R≥Z удовлетворяет соотношению где ε₀ - диэлектрическая проницаемость материала отклоняющей листовой поверхности на длине волны λ, ширина листа b≥Z.

В устройстве для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, экранирующая среда, устанавливаемая на пути распространения излучения к объекту, включает, образованную скрепленными между собой и выполненными из диэлектрического материала или металла волноводами, представляющими собой капилляры изогнутой формы, установленные своими торцами по направлению к источнику излучения, вторые торцы капилляров укреплены на дополнительном экране и выведены в сторону от объекта защиты Нижние торцы изогнутых волноводов закрепляются на дополнительном экране Дополнительный экран представляет собой часть сферы, высота которой определяется максимальным размером объекта защиты Z, радиус основания R_s части сферы рассчитывают по формуле Капилляры представляют собой полые цилиндры с внутренним радиусом r₀, определяемым из соотношения r₀>λ⋅θ_c, где λ - длина волны излучения, θ_c - критический угол скользящего падения, определяемый по формуле где параметр δ=1-Re(ε₀) определяется через диэлектрическую проницаемость вещества стенки капилляра ε₀=1-δ-i⋅γ, где 1-δ=Re(ε₀) - вещественная часть диэлектрической проницаемости, характеризующая рефракцию на границе вакуум - стенка, γ=-Im(ε₀) - мнимая часть, характеризующая поглощательную способность стенки, i - мнимая единица, радиус изгиба капилляров R превышает критический радиус R_c, , максимальный размер Z объекта защиты определяют из соотношения где L - длина волновода, а число капилляров N определяют по формуле где π=3.14.

Сущность заявляемых решений поясняется следующим. Специфика воздействия рентгеновского и гамма излучения на вещество определяется тем, что оптическая плотность всех веществ в этой области спектра оказывается меньше 1. Выражение для диэлектрической проницаемости ε₀ записывается в виде: ε₀=1-δ-i⋅γ, где δ и -γ - вещественные величины, описывающие поляризуемость и поглощение. Как правило, |γ|<δ<<1. В связи с этим коэффициент отражения рентгеновского излучения отличен от нуля лишь при почти скользящем падении излучения на поверхность. При малых углах скольжения θ, таких, что имеет место полное внешнее отражение (ПВО) рентгеновских лучей. Критический угол скольжения равен

Явление ПВО используется для решения проблемы отклонения рентгеновского излучения на большой угол. Для управления пучками излучения используются элементы скользящего падения с большим числом отражений. Это: вогнутые поворотные зеркала и полые рентгеновские волноводы, предназначенные для поворота излучения на большие углы. Теория рентгеновских волноводов представлена в книге "Зеркальная рентгеновская оптика / А.В. Виноградов И.А., Брытов, А.Я., Грудский и др.; Под общ. ред. А.В. Виноградова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989-463 с.: ил."

Как показывают решения волнового уравнения, волна, распространяющаяся вдоль листовой поверхности, имеющей вид цилиндрической поверхности с радиусом кривизны r, в плоскости, ортогональной оси цилиндрической поверхности, может быть локализована вблизи поверхности, образуя моду "шепчущей галереи". Условия устойчивости такого решения состоят в следующем. Диэлектрическая проницаемость ε материала внутри цилиндрической поверхности предполагается равной 1. Стенка цилиндрической поверхности имеет диэлектрическую проницаемость ε₀=1-δ-i⋅γ. Условие образования моды Как показывает расчет, характерный радиальный размер d_s моды "шепчущей галереи" определяется соотношением

Здесь t_s - s - ый ноль функции Эйри-Фока, который для старшей моды s=0 равен t_o=-2.338. Интенсивность волны "шепчущей галереи" при повороте на ψ радиан по отношению к направлению падающего излучения затухает экспоненциально с показателем При условии малости коэффициента затухания |γ|<δ<<1, затуханием можно пренебречь.

Конструкция защитной экранирующей среды представляет собой многослойную структуру, включающую стопку изогнутых листовых поверхностей, с полированными внутренними поверхностями, расстояние а между которыми определяют по формуле

Здесь R - радиус кривизны (изгиба) листовых поверхностей. Поскольку каждый лист расположен по отношению к падающему излучению под расчетным углом скольжения, то доля излучения, попавшая на соответствующий лист, будет отклонена на расчетный угол отклонения, и тем самым, полное излучение будет отклоняться на нужный угол, приводя к эффекту защиты объекта от рентгеновского излучения.

Полый рентгеновский волновод представляет собой цилиндр с полой сердцевиной радиуса r₀ и оболочкой из кварцевого стекла. Изогнутый полый волновод изменяет направление распространения рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи направленно распространяются в таком волноводе только в том случае, когда радиус его изгиба превышает некоторое значение Такой волновод, имеющий длину L и радиус изгиба R, обеспечивает поворот рентгеновского излучения на угол

С ростом L происходит ослабление интенсивности «повернутого» излучения. Доля излучения Н, прошедшего через волновод оценивается по формуле

Здесь θ≤θ_c - угол скользящего падения.

Устройство для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения представляет собой пучок из N волноводов, верхние торцы которых плотно без просветов, скреплены друг с другом, образуя прямоугольную поверхность, размер которой согласован с размером объекта защиты. Нижние торцы изогнутых волноводов закреплены на дополнительном экране, представляющем собой часть сферы, высота которой определяется максимальным размером объекта защиты Z, радиус основания R_s рассчитывают по формуле где Ф - угол отклонения.

Поскольку каждый волновод расположен по отношению к падающему излучению под расчетным углом скольжения, то доля излучения, попавшая на соответствующий волновод, будет отклонена на расчетный угол отклонения, и тем самым, полное излучение будет отклоняться на нужный угол, приводя к эффекту защиты объекта от рентгеновского излучения.

Сущность заявляемых решений поясняется черт., где на фиг. 1 представлена схема устройства для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, включающее экранирующую среду, устанавливаемую на пути распространения излучения к объекту, образованную скрепленными между собой изогнутыми листовыми полированными внутренними поверхностями, установленными параллельно и разнесенными относительно друг друга, на фиг. 2 представлена схема устройства для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, где экранирующая среда включает плотно скрепленные между собой волноводы, представляющие собой капилляры изогнутой формы, капилляры представляют собой полые цилиндры.

Устройство для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения (фиг. 1) содержит экранирующую среду, представляющую собой многослойную структуру из N изогнутых полированных листовых поверхностей 1, скрепленных между собой по краям 2, так, чтобы листы располагались параллельно на расстоянии а.

Устройство для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения (фиг. 2) содержит экранирующую среду, представляющую собой пучок из TV волноводов 1. Волноводы 1 представляют собой капилляры изогнутой формы, выполненные в виде полых изогнутых цилиндров, верхние торцы которых плотно без просветов, скреплены друг с другом, образуя прямоугольную поверхность 2, размер которой согласован с размером объекта защиты. Нижние торцы изогнутых волноводов закреплены на дополнительном экране 3, представляющем собой часть сферы, высота которой определяется максимальным размером объекта защиты Z, радиус основания R_s рассчитывают по формуле где Ф - угол отклонения. Под этим экраном расположен объект защиты 4.

На экранирующую среду из изогнутых листовых поверхностей 1, скрепленных по краям 2, падает излучение 5 так, что на каждую листовую поверхность 1 излучение падает под углом скольжения, меньшим критического и "скользит" вдоль поверхности изогнутого листа 1, многократно отражаясь согласно эффекту полного внешнего отражения, формируя моду "шепчущей галереи". В результате волноводного распространения излучение 6 отклоняется на расчетный угол отклонения. В результате описанного процесса осуществляется защита объекта защиты 4, расположенного в "тени", создаваемой листовыми поверхностями 1.

Излучение 5 падает на прямоугольную поверхность 2 с закрепленным в ней пучком из N волноводов 1 так, что захватывается апертурой каждого волновода 1 и распространяется вдоль каждого из N изогнутых волноводов 1, многократно отражаясь от его внутренней стенки, благодаря эффекту полного внешнего отражения. Волноводный режим распространения приводит к отклонению излучения 6 от объекта защиты 4, предохраняя тем самым объект 4 от действия рентгеновского излучения.

В качестве конкретного примера выполнения способа и устройств для его реализации предлагается следующее. Для устройства 1.

Устройство защиты содержит экранирующую среду, состоящую из 40 листовых поверхностей с полированной внутренней поверхностью, изогнутых по радиусу R=5 см, выполненных из материала с параметром дисперсии δ=0.01 (углерод) для длины волны λ=20 нм. Листовые поверхности скреплены параллельно друг другу по верхнему и нижнему краям клеем, (например, эпоксидная смола) так, чтобы расстояние а между листами было равно Ширина листа 5 см. Устройство рассчитано для объекта защиты с максимальным размером Z=1 см.

Для устройства 2.

Устройство защиты содержит экранирующую среду, состоящую из N=120 волноводов, верхние торцы которых плотно без просветов, скреплены друг с другом, образуя прямоугольную поверхность 2, и представляют собой полые цилиндрические капилляры изогнутой формы, выполненные из материала с параметром δ=0.01 (углерод) для длины волны λ=2⋅10² мкм. Передние торцы волноводов, на которые падает излучение плотно, без просветов, закреплены друг с другом клеем (например, эпоксидная смола), образуя квадратную площадку с площадью 1 см² (для кубического объекта защиты со стороной Z=1 см). Волноводы изогнуты на радиус R=20 см и имеют длину L=10 см. Радиус капилляра r₀=0.5 мм. Здесь угол отклонения излучения Ф=0.5 радиан. Нижние торцы изогнутых волноводов закреплены на дополнительном экране 3, представляющем собой часть сферы, высота которой определяется максимальным размером объекта защиты Z=1 см, радиус основания R_s=3 см, толщиной 1 мм, выполненной из полиэтилена методом прессования. Под этим экраном расположен объект защиты 4.

Т.о., заявляемые изобретения обеспечивают эффект защиты объекта путем волноводного отклонения рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, благодаря многократному полному внешнему отражению, вместо эффекта поглощения излучения, используемого известными решениями. Заявляемые изобретения имеют размер площадки экранирующей среды, на которую падает излучение, согласованный с размером объекта защиты и не используют для эффекта экранирования излучения элементы с большим массовым числом, обеспечивая тем самым защиту объекта с помощью устройства с пониженными массогабаритными характеристиками. Кроме того, заявляемые изобретения не используют дополнительные источники излучения, поддерживающие экранирующие среды, используемые для ослабления проникающего излучения, в возбужденном состоянии, что упрощает конструкцию используемых устройств.

Группа изобретений относится к области защиты от рентгеновской и гамма-радиации. Способ защиты от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения с помощью экранирующей среды, установленной на пути распространения излучения к объекту защиты, содержит этапы, на которых с помощью экранирующей среды осуществляют волноводное отклонение рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения от объекта защиты, заключающееся в многократном полном внешнем отражении указанного излучения. Технический результат – обеспечение защиты объекта с помощью устройства с пониженными массогабаритными характеристиками. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты от воздействия рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения с помощью экранирующей среды, установленной на пути распространения излучения к объекту защиты, отличающийся тем, что экранирующая среда выполнена по любому из пп. 2 или 3, при этом с помощью экранирующей среды осуществляют волноводное отклонение рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения от объекта защиты, заключающееся в многократном полном внешнем отражении указанного излучения.

2. Устройство для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, представляющее собой экранирующую среду, устанавливаемую на пути распространения излучения к объекту, образованную скрепленными между собой изогнутыми листовыми поверхностями, установленными параллельно и разнесенными относительно друг друга на расстояние , при этом угол скольжения между направлением падающего излучения и поверхностью листа равен или меньше угла полного внешнего отражения для материала листовой поверхности, отличающееся тем, что экранирующая среда представляет собой многослойную структуру, включающую N листовых поверхностей, где Z - максимальный размер объекта защиты, - расстояние между листовыми поверхностями, определяемое из соотношения где радиус изгиба листов R≥Z определяют из соотношения где ε₀ - диэлектрическая проницаемость материала отклоняющей листовой поверхности на длине волны λ, ширина листа b≥Z.

3. Устройство для защиты объекта от рентгеновского и гамма электромагнитного проникающего излучения, представляющее собой экранирующую среду, устанавливаемую на пути распространения излучения к объекту, образованную волноводами из диэлектрического материала или металла, верхние торцы которых плотно скреплены друг с другом, представляющими собой капилляры изогнутой формы, установленными своими торцами по направлению к источнику излучения, отличающееся тем, что вторые торцы капилляров укреплены на дополнительном экране, имеющем вид части сферы, высота которой определяется максимальным размером объекта защиты Z, а радиус основания R_s рассчитывают по формуле где Ф - угол отклонения излучения, капилляры представляют собой полые цилиндры с внутренним радиусом r₀, определяемым из соотношения r₀>λ⋅θ_c, где λ - длина волны излучения, θ_с - критический угол скользящего падения, определяемый по формуле где параметр δ=1-Re(ε₀) определяется через диэлектрическую проницаемость вещества стенки капилляра ε₀=1-δ-i⋅γ, где 1-δ=Re(ε₀) - вещественная часть диэлектрической проницаемости, характеризующая рефракцию на границе вакуум - стенка, γ=-Im(ε₀) - мнимая часть, характеризующая поглощательную способность стенки, i - мнимая единица, радиус изгиба капилляров R превышает критический радиус R_c, и радиус изгиба капилляров R≥Z превышает максимальный размер Z объекта защиты, а число волноводов N на площади определяют по формуле где π=3.14.