Бета-чувствительная оптоволоконная дозиметрическая система Российский патент 2024 года по МПК G01T1/20 

Проблема измерений параметров бета-источников ионизирующего излучения, которые излучают в телесный угол 4π стерадиан, является достаточно сложной и требует решения при производстве таких источников, например, для радионуклидных элементов электрического питания.

Измерение параметров бета-источников в настоящее время осуществляется несколькими стандартными методами (ГОСТ 26306-84), среди которых можно отметить сцинтилляционный метод относительных измерений мощности поглощенной дозы (МПД) бета-излучения. Для относительных измерений МПД бета-излучения в материале, эквивалентном биологической ткани, и для изучения степени равномерности распределения МПД по поверхности источников различной конфигурации используют дозиметр со сцинтиллирующей пластмассой в качестве детектора. На дозиметр передают единицу МПД от установки с экстраполяционной камерой с помощью специально изготовленных плоских калиброванных источников. Для сведения к минимуму возникающих при этом погрешностей плоские калиброванные источники изготавливают по той же технологии, что и источники, подлежащие контролю, и с теми же радионуклидами.

Однако, указанный метод не позволяет реализовать измерения для источников излучающих в телесный угол 4π стерадиан.

Как было отмечено, в составе аппаратуры для реализации сцинтилляционного метода присутствует сцинтилляционный дозиметр.

Сцинтилляционный дозиметр обычно включает в свой состав детектор, на основе сцинтиллятора (сцинтилляционного вещества), в котором ионизирующие частицы вызывают вспышку люминесценции, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий световую вспышку в импульс электрического тока, и электронную систему, регистрирующую эти электрические импульсы.

Сцинтилляционные волоконные дозиметры известны, например, «Волоконно-оптический дозиметр» (AU 2006900427 ЕР 1987372 ЕР 2423711 AU 2007209775 JP 2009524835 WO/2007/085060 AU 2009245866 US 20100096540 JP 2011185955 US 20120037808). Устройство содержит последовательно соединенные сцинтиллятор, световод, фотоприемное устройство и преобразователь электрического сигнала с фотоприемного устройства в индикаторный сигнал интенсивности светового сигнала. Первый конец световода находится в оптическом контакте со сцинтиллятором, а второй конец - с фотоприемным устройством.

Недостаток этого типа сцинтилляционных дозиметров заключаются в невозможности измерить параметры радионуклидного бета источника, испускающего электроны в телесный угол 4 л стерадиан.

Также известен сцинтилляционный детектор большого объема для быстрой трехмерной визуализации доз в режиме реального времени при передовых методах лучевой терапии US 20160103227 A1. Устройство и способ измерения трехмерных распределений дозы облучения с высоким пространственным и временным разрешением с использованием сцинтиллятора большого объема. Сцинтиллятор преобразует распределение дозы излучения в распределение видимого света. Видимый свет передается на один или несколько фотодетекторов, которые измеряют интенсивность света. Световые сигналы обрабатываются для исправления оптических артефактов, и реконструируется трехмерное распределение света. Восстановленное распределение света подвергается последующей обработке для преобразования амплитуд света в измеренные дозы облучения. Высокое временное разрешение детектора позволяет наблюдать за эволюцией динамического распределения дозы по мере его изменения во времени. Интегральное распределение дозы может быть измерено путем суммирования дозы во времени.

Недостатками рассмотренного изобретения является невозможность измерять выход бета-электронов из металлического бета-источника произвольной формы в угол 4π.

Для собирания световых вспышек от сцинтиллятора в большинстве случаев используется фотоприемное устройство, которое находится в оптическом контакте со сцинтиллятором.

Известно, что для исследования оптических характеристик источников света применяются интегрирующие сферы. Интегрирующая сфера представляет собой полую сферу, внутренняя стенка которой покрыта белым диффузно-отражающим материалом, также известным как фотометрическая сфера, сфера светового потока и т.д. На сферической стенке открыты одно или несколько оконных отверстий, которые используются как светоприемные отверстия и приемные отверстия для размещения светоприемных устройств. Внутренняя стенка интегрирующей сферы представляет собой хорошую сферическую поверхность, причем обычно требуется, чтобы ее отклонение от идеальной сферической поверхности не превышало 0,2% внутреннего диаметра. Внутренняя стенка сферы покрыта материалом с идеальным диффузным отражением, то есть материалом с коэффициентом диффузного отражения, близким к 1.

Обычно свет попадает в интегрирующую сферу через входное окно (порт). После многократных отражений внутри интегрирующей сферы свет будет однороден во всех ее точках.

Интегрирующие сферы могут быть использованы при проведении оптических исследований вспышек в сцинтилляторе в сцинтилляционных, в частности волоконных дозиметрических системах.

В настоящее время известна оптоволоконная дозиметрическая система (RU 138047 U1) n, которая включает в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, соединенного посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения. При этом полимерное сцинтилляционное волокно расположено в несколько витков по окружности отверстия в корпусе сенсорного элемента, сквозь которое проходит исследуемый протяженный источник ионизирующего излучения, и зафиксировано выступами верхней и нижней крышки корпуса сенсорного элемента. Выходной торец полимерного сцинтилляционного волокна соединяется с транспортным оптическим волокном, а на свободный торец сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие. Пространственная селекция регистрируемого ионизирующего излучения обеспечивается металлической блендой, которая является частью корпуса сенсора, располагается выше и ниже витков сцинтилляционного волокна и перекрывает поток ионизирующего излучения от областей исследуемого протяженного источника ионизирующего излучения, расположенных за пределами интересующей области.

Недостатком такой системы является невозможность измерить параметры радионуклидного бета-источника, испускающего электроны в телесный угол 4π стерадиан.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является сферический нейтронный детектор (Пат. US 10126442 B2). В соответствии с описанием изобретения имеется детектор нейтронов, содержащий конверсионный слой, расположенный на внешней поверхности сферической сердцевины из материала, замедляющего нейтроны, при этом конверсионный слой содержит материал, поглощающий нейтроны, и люминофорный материал, при этом сферическая сердцевина расположена для приема фотонов, испускаемых люминофором конверсионного слоя, детектор нейтронов дополнительно содержит фотодетектор, оптически связанный со сферическим сердечником и предназначенный для обнаружения фотонов, испускаемых конверсионным слоем, при этом конверсионный слой снабжен диффузно отражающей поверхностью, ориентированной к центру сферического сердечника, предназначенного для диффузного отражения фотонов, испускаемых из преобразующего слоя, и при этом сферический сердечник предназначен для направления фотонов к фотодетектору.

Недостатками рассмотренного изобретения является невозможность измерять выход бета-электронов из металлического бета-источника произвольной формы в угол 4π.

Цель изобретения - реализовать устройство, позволяющее измерять выход бета-электронов из металлического источника произвольной формы в угол 4π.

Технический результат: повышение точности измерения выхода бета-электронов из металлического источника произвольной формы в угол 4π.

Технический результат достигается за счет реализации интегрирующей сферы с волоконным выходом (1), при помощи транспортного оптического волокна (2), соединенной со счетчиком фотонов (3), подключенным к персональному компьютеру (4) (Фиг. 1). Внутри интегрирующей сферы расположен сцинтиллятор. Фотоны, возникающие в сцинтилляторе при взаимодействии с электронами от бета-источника ионизирующего излучения, помещенного внутрь интегрирующей сферы (1), рассеиваются материалом сферы и попадают на ее волоконный выход (2), соединенный посредством транспортного оптического волокна (3) со счетчиком фотонов (4), сигнал с которого посредством соединительного кабеля (5) передается на персональный компьютер (6), который также посредством кабеля (7) соединяется с вакуумным датчиком (8), расположенным на входе вакуумного насоса (9), посредством вакуумного трубопровода (10) соединенного с внутренним объемом интегрирующей сферы (1). Сцинтиллятор может быть в виде слоя (11) (Фиг. 2) равномерно нанесен на внутреннюю рассеивающую поверхность герметично закрывающейся интегрирующей сферы, а радиационный источник (12) закреплен внутри сферы на специальном держателе (13) или представлять собой отдельный контейнер (14) (Фиг. 3) для бета-источника ионизирующего излучения (12), повторяющий форму бета-источника ионизирующего излучения, помещенный внутрь интегрирующей сферы (1) и закрепленный внутри сферы на специальном держателе (13), а радиационный источник (12) вводится в полость контейнера (14).

Таким образом, все электроны, вылетающие из источника ионизирующего излучения в угол 4π, попадают в сцинтилляционный материал, в котором генерируются фотоны, число которых пропорционально энергии частиц. Присутствие вакуума внутри интегрирующей сферы снижает потери электронов и повышает вероятность их попадания в сцинтиллятор. Фотоны из сцинтилляционного материала попадают в пространство интегрирующей сферы, которая за счет своих свойств рассеяния формирует стабильный уровень яркости оптического излучения. Часть этого оптического излучения попадает в выходной порт, далее в транспортное оптическое волокно и на счетчик фотонов, с которого сигнал в виде числа импульсов в единицу времени, пропорциональный яркости и соответственно количеству электронов, вышедших из источника, передается в персональный компьютер, где при помощи программного обеспечения интерпретируется измеряемая величина выхода электронов с поверхности источника ионизирующего излучения.

Устройство по п. 2 работает следующим образом.

Калиброванный источник ионизирующего излучения (12) (с известным выходом бета электронов с поверхности источника в единицу времени) закрепляют в держатель (13), который помещают в интегрирующую сферу (1), подключенную при помощи оптоволоконного кабеля (3) к счетчику фотонов (4). При этом счетчик фотонов (4) подключен к персональному компьютеру (6) при помощи кабеля (5). Далее при помощи компьютера (6), подключенного к датчику давления (8) посредством кабеля (7) измеряют давление в интегрирующей сфере (1). Затем при помощи компьютера (6) и программного обеспечения устанавливают необходимый уровень остаточного давления в интегрирующей сфере (1) и включают вакуумный насос (9). При достижении необходимого уровня давления насос (9) отключается, и при помощи счетчика фотонов (6) осуществляется измерение количества фотонов в единицу времени попадающих на выходной порт (2) интегрирующей сферы (1). Результаты измерения фиксируют.

Данную процедуру проводят несколько раз для калиброванных источников ионизирующего излучения одной конфигурации, но с разными уровнями выхода бета электронов с поверхности.

В результате таких измерений формируется калибровочная кривая, которая далее используется для определения уровня выхода электронов из источника той же конфигурации, но неизвестной активности. Для ее определения проводятся аналогичные измерения числа фотонов на выходе из интегрирующей сферы при том же остаточном давлении внутри сферы. Результат соотносится с калибровочной кривой и определяется уровень выхода для измеряемого источника.

Для устройства по п. 3 выполняется следующая последовательность действий.

Калиброванный источник ионизирующего излучения (12) (с известным выходом бета электронов с поверхности источника в единицу времени, помещают в сцинтилляционный контейнер (14), который закрепляют в держатель (13) и помещают в интегрирующую сферу (1), подключенную при помощи оптоволоконного кабеля (3) к счетчику фотонов (4). При этом счетчик фотонов (4) подключен к персональному компьютеру (6) при помощи электрического кабеля (5). Далее при помощи компьютера (6), подключенного к датчику давления (8) посредством электрического кабеля (7) проверяют давление в интегрирующей сфере (1). Затем при помощи компьютера (6) и программного обеспечения устанавливают необходимый уровень остаточного давления в интегрирующей сфере (1) и включают вакуумный насос (9). При достижении необходимого уровня давления насос (9) отключается, и при помощи счетчика фотонов (4) осуществляется измерение количества фотонов в единицу времени попадающих на выходной порт (2) интегрирующей сферы (1).

Данную процедуру проводят несколько раз для калиброванных источников ионизирующего излучения одной конфигурации, но с разными уровнями выхода бета электронов с поверхности.

В результате таких измерений формируется калибровочная кривая, которая далее используется для определения уровня выхода электронов из источника той же конфигурации, но неизвестной активности. Для ее определения проводятся аналогичные измерения числа фотонов на выходе из интегрирующей сферы при том же остаточном давлении внутри сферы. Результат соотносится с калибровочной кривой и определяется уровень выхода для измеряемого источника.

Изобретение относиться к области измерения ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционных детекторов и может быть использовано при построении дозиметрических систем и комплексов. Бета-чувствительная оптоволоконная дозиметрическая система включает сцинтиллятор, интегрирующую сферу с волоконным выходом, транспортное оптическое волокно, счетчик фотонов и персональный компьютер, при этом фотоны, возникающие в сцинтилляторе при взаимодействии с электронами от бета-источника ионизирующего излучения, помещенного внутрь интегрирующей сферы, рассеиваются материалом сферы и попадают на ее выходной порт, соединенный посредством транспортного оптического волокна со счетчиком фотонов, сигнал с которого посредством соединительного кабеля передается на персональный компьютер, который также соединяется с вакуумным датчиком, расположенным на входе вакуумного насоса, посредством вакуумного трубопровода, соединенного с внутренним объемом интегрирующей сферы. Технический результат: повышение точности измерения выхода бета-электронов из металлического источника произвольной формы в угол 4π. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бета-чувствительная оптоволоконная дозиметрическая система, включающая сцинтиллятор, интегрирующую сферу с волоконным выходом, транспортное оптическое волокно, счетчик фотонов и персональный компьютер, отличающаяся тем, что фотоны, возникающие в сцинтилляторе при взаимодействии с электронами от бета-источника ионизирующего излучения, помещенного внутрь интегрирующей сферы, рассеиваются материалом сферы и попадают на ее выходной порт, соединенный посредством транспортного оптического волокна со счетчиком фотонов, сигнал с которого посредством соединительного кабеля передается на персональный компьютер, который также соединяется с вакуумным датчиком, расположенным на входе вакуумного насоса, посредством вакуумного трубопровода, соединенного с внутренним объемом интегрирующей сферы.

2. Бета-чувствительная оптоволоконная дозиметрическая система по п. 1, отличающаяся тем, что сцинтиллятор в виде слоя равномерно нанесен на внутреннюю рассеивающую поверхность герметично закрывающейся интегрирующей сферы, а радиационный источник закреплен внутри сферы на специальном держателе.

3. Бета-чувствительная оптоволоконная дозиметрическая система по п. 1, отличающаяся тем, что сцинтиллятор представляет собой отдельный контейнер для бета-источника ионизирующего излучения, повторяющий форму бета-источника ионизирующего излучения, помещенный внутрь интегрирующей сферы и закрепленный внутри сферы на специальном держателе, а радиационный источник вводится в полость контейнера.