СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01N23/83 G01T1/17 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к контролю параметров сцинтилляционного детектора, и может быть использовано для контроля качества сборки многоканального сцинтилляционного детектора и его состояния в различных условиях эксплуатации в течение всего срока службы.

Сцинтилляционные детекторы на основе различных видов сцинтиллирующих материалов используются при регистрации ионизирующего излучения для научных и технических целей. Важной характеристикой сцинтилляционных детекторов является эффективность светосбора фотонов сцинтилляционной вспышки в детекторе, определяющая его чувствительность к ионизирующим излучениям. Контроль качества сборки сцинтилляционного детектора необходим при его изготовлении и использовании в составе приборов и установок в различных условиях эксплуатации в течение всего срока службы для обеспечения высокой эффективности светосбора и работы самого детектора. Одно из основных требований, предъявляемых к многоканальному сцинтилляционному детектору - это исправность каждого канала. Сложность создания многоканальных детекторов заключается в их послойной структуре, затрудняющей процесс замены отдельного канала или модуля - доступ к нему требует частичной или полной разборки детектора. Каждый очередной компонент матрицы или слой многоканального сцинтилляционного детектора при сборке в детектор должны проверяться. Поэтому необходима проверка оптического тракта каждого канала на этапе изготовления и монтажа в многоканальный сцинтилляционный детектор, позволяющая произвести отбор модулей по параметрам и определить их оптимальное расположение в детекторе. В то же время замена отдельных элементов измерительных каналов затруднена вследствие высокой плотности их послойного монтажа. В сложных составных оптических системах каждый элемент вносит свое влияние на проходящий сигнал и может быть причиной его искажения. По этой причине при создании крупных экспериментальных комплексов процесс сборки неизбежно связан с контролем сборочных единиц. При установке узлов детектора могут возникнуть непреднамеренные повреждения компонентов вследствие ненормированного воздействия на них.

Из области техники известен способ калибровки сцинтилляционного тракта, состоящего из сцинтилляционного детектора и канала передачи электрических импульсов на анализатор [Патент RU 2367978, МПК G01T 1/20, опубл. 20.09.2009 г]. Способ заключается в использовании последовательности эталонных световых импульсов, одна из которых подводится на вход оптического детектора сцинтилляционного тракта, а вторая последовательность, смещенная относительно первой по времени, поступает на сцинтиллятор, при этом на выходе оптического детектора анализируют энергетический спектр первых и вторых импульсов по отношению к исходному спектру, полученному в процессе однократной исходной калибровки с использованием эталонного калибровочного радиоактивного источника. Данный способ позволяет осуществлять процесс калибровки в любой момент времени и определять вклад каждой составной части тракта регистрации в выявленную в процессе калибровки нестабильность.

Однако в данном способе используют эталонный калибровочный радиоактивный источник (изотоп). Такой подход имеет свои недостатки, среди которых неудобство эксплуатации изотопного источника: его непрерывное излучение может быть поглощено защитным контейнером, где он хранится, но не прекращено, что вызывает сложности в транспортировке, хранении и организации безопасной работы, ограничивая область применения. А малое количество квантов на единицу времени потребует большое значение экспозиции, а значит - увеличит время проверки системы. Кроме того данный способ направлен на калибровку соответствующих приборов и не позволяет определять параметры сцинтилляционного детектора, характеризующие в нем светосбор.

Наиболее близким техническим решением, который принят в качестве прототипа, является способ контроля параметров сцинтилляционного детектора [Патент RU №2664928, МПК G01T 1/17, опубл. 23.08.2018 г], которым достигается относительная безопасность по сравнению с предыдущим аналогом.

Данный способ заключается в том, что измеряют амплитуды сигналов, формируемые при прохождении высокоэнергичных заряженных частиц импульсного излучения через сцинтилляционный детектор, с учетом координат места прохождения импульсов, и проводят контроль световыхода при данном воздействии излучения путем сравнения амплитудно-координатной зависимости с аналогичной зависимостью для известных значений световыхода, определяющих светосбор сцинтилляционного детектора.

В данном способе измеряют амплитуды сигналов при воздействии на сцинтилляционный детектор одиночных высокоэнергичных заряженных частиц импульсного излучения частиц космического происхождения, с учетом координат места прохождения частиц. В прототипе измеряют амплитуды одиночных высокоэнергичных заряженных частиц одновременно с координатами места прохождения каждой регистрируемой в детекторе частицы, а зависимость амплитуды сигнала от места прохождения частицы рассчитывают. При этом координаты места прохождения импульсов соответствуют положению вспомогательных детекторов в момент измерения амплитуды сигналов. Данный способ позволяет контролировать параметры, определяющие светосбор сцинтилляционного детектора как после его сборки, так и в процессе эксплуатации.

Однако в прототипе речь идет об использовании одноканальной системы регистрации вспышки сцинтиллятора. Это в свою очередь делает невозможным одновременный контроль многоканальных систем. Проверка точек чувствительной области осуществляется пошагово. Процесс прохождения частицы через заданную область детектора носит вероятностный характер (в среднем на один квадратный сантиметр земной поверхности падает одна частица в минуту). При этом регистрация события происходит только в точке расположения вспомогательных детекторов. Таким образом, можно говорить о низкой оперативности данного способа контроля. Кроме того, для получения координатной зависимости световыхода данные обрабатывают с применением сложного математического аппарата, что может влиять на точность измерения. Природа космических лучей ограничивает область их применения в качестве источника излучения: ливни падают практически ортогонально к поверхности Земли, что делает невозможной проверку детекторов, расположенных на осях, отличных от вертикальной. Кроме того, разброс траекторий космических частиц уменьшает точность измерения параметров многоканальных

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение оперативности контроля одновременно всех каналов собранного многоканального сцинтилляционного детектора с обеспечением точности измерения.

Технический результат достигается тем, что способ контроля состояния многоканального сцинтилляционного детектора заключается в том, что измеряют амплитуды сигналов, формируемых при прохождении высокоэнергичных заряженных частиц импульсного излучения через сцинтилляционный детектор, с учетом координат места прохождения частиц, и проводят контроль световыхода при данном воздействии излучения путем сравнения амплитудно-координатной зависимости с аналогичной зависимостью для известных значений световыхода, определяющих светосбор сцинтилляционного детектора, согласно изобретения импульсное воздействие осуществляют равномерным полем излучения на всю торцевую поверхность многоканального детектора, а контроль проводят с учетом интенсивности излучения для каждого импульса и с использованием калибровочно-нормировочных каналов, размещенных на оси излучения.

Осуществление импульсного воздействия равномерным полем излучения на всю торцевую поверхность многоканального детектора дает возможность получить при помощи единичного воздействия амплитудно-координатную зависимость параметров всех измерительных каналов многоканального сцинтилляционного детектора, повышая таким образом оперативность контроля одновременно всех каналов многоканального сцинтилляционного детектора. При этом равномерный характер пространственного распределения поля излучения на всю торцевую поверхность многоканального детектора позволяет считать одинаковыми условия измерений во всех каналах детектора, что обеспечивает точность измерения.

Проведение контроля с учетом интенсивности излучения для каждого импульса и с использованием калибровочно-нормировочных каналов, размещенных на оси излучения, дает возможность обеспечить точность проводимых измерений и сокращение числа требуемых измерений для достижения этой точности.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия повышения оперативности контроля одновременно всех каналов собранного многоканального сцинтилляционного детектора с обеспечением точности измерения.

Кроме того, для повышения точности измерения в качестве калибровочно-нормировочных каналов используют каналы, выполненные из материала с низкой плотностью, например из пластика, что дает возможность не оказывать значительного влияния на энергию квантов излучения, исходящих из импульсного источника. Данные, полученные с каналов, помогают учесть разброс параметров импульсов излучения, вызванный особенностями конструкции источника излучения.

Кроме того, для возможности определения корректного расположения каналов в многоканальном детекторе за счет выявления погрешностей подключения каналов и ошибок их сборки в детекторе воздействие осуществляют через сменные свинцовые тестовые объекты.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется следующими изображениями:

На фиг. 1 схематично представлено устройство, реализующее заявляемый способ контроля;

На фиг. 2 схематично представлено устройство, реализующее заявляемый способ контроля с использованием свинцового тестового объекта, например треугольника;

На фиг. 3 представлено графическое отображение отклика исправных каналов модулей, демонстрирующее качественную сборку модуля при установке тестового объекта в виде прямоугольника,

На фиг. 4 представлено графическое отображение отклика исправных каналов модулей, демонстрирующее качественную сборку модуля при установки тестового объекта в виде треугольника;

На фиг. 5 представлено графическое отображение отклика каналов модулей при установке тестового объекта в виде прямоугольника, содержащее видимое смещение части полосы относительно вертикальной оси симметрии, что демонстрирует некорректную сборку оптического тракта;

На фиг. 6 представлено графическое отображение отклика каналов модулей при установке тестового объекта в виде треугольника, содержащее видимое смещение частей фигуры от ожидаемых границ, что демонстрирует некорректную сборку оптического тракта, где диагональные линии боковых сторон треугольника приобрели явные пилообразные изломы;

На фиг. 7 представлено графическое отображение отклика каналов модулей при установке тестового объекта в виде треугольника, содержащее видимое смещение частей фигуры от ожидаемых границ, что демонстрирует некорректную сборку оптического тракта, где верхняя часть треугольника имеет разрыв.

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:

1 - источник тормозного излучения;

2 - нормировочный датчик;

3 - многоканальный сцинтилляционный детектор;

4 - блок регистрации;

5 - компьютер;

6 - поток квантов тормозного излучения;

7 - сменные свинцовые тестовые объекты;

8 - защитный свинцовый кожух.

Стрелками обозначены линии связи функциональных узлов, где от управляющего компьютера 5 к источнику излучения 1 передается импульс запуска; от нормировочного датчика 2 к фотоприемникам блока регистрации 4 поступает свет, возникающий в сцинтилляционных волокнах во время импульса источника; от исследуемого оптического тракта детектора 3 к фотоприемникам блока регистрации 4 поступает свет, возникающий в сцинтилляционных кристаллах во время импульса источника; а между компьютером 5 и блоком регистрации 4 происходит обмен данными при помощи сетевого протокола Ethernet.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначально на этапе сборки многоканального сцинтилляционного детектора (или его части) производят визуальный контроль поверхностей оптических соединителей каждого оптического тракта. Собранный оптический тракт многоканального сцинтилляционного детектора 3 (в виде матрицы) помещают в защитный кожух 7 из свинцового листа для ослабления воздействия рассеянного излучения на боковые поверхности кристаллов. Оптический тракт детектора 3 располагают на оси излучения источника тормозного излучения 1, в качестве которого используют импульсный рентгеновский генератор. Тормозное излучение является частным случаем ионизирующего излучения и характеризуется процессом торможения ускоренных частиц (электронов) в электрическом поле. Для однозначной калибровки каналов детектора 3 и отслеживания состояния источника излучения между детектором 3 и источником излучения 1 на оси излучения размещают нормировочный датчик 2, представляющий собой сборку калибровочно-нормировочных каналов в виде набора сцинтилляционных оптических волокон, размещаемых на выходном окне вакуумной камеры рентгеновской трубки. При помощи датчика 2 проводят контроль световыхода с учетом интенсивности излучения для каждого импульса (фиг. 1-2). Для повышения точности измерения в качестве чувствительной области датчика 2 (калибровочно-нормировочных каналов) используют каналы, выполненные из материала с низкой плотностью, например из пластика. Низкая плотность материала волокон нормировочного датчика 2 минимизирует их влияние на результаты измерений, повышая точность измерения.

Для контроля состояния собранной матрицы сцинтилляционного детектора импульсное воздействие осуществляют равномерным полем излучения на всю торцевую поверхность послойно уложенной структуры многоканального детектора 3, и по интенсивности свечения полированного торца каждого волокна с помощью фотоприемника блока регистрации 4 оценивают отклик каналов для того, чтобы отбраковать модули детектора с неисправными элементами и составить карту оптимального размещения модулей в детекторе 3 с учетом их параметров. Интенсивность свечения элементов каждого оптического канала (фиг. 3) указывает на эффективность прохождения света до блока регистрации 4. Регистрацию осуществляют в автоматизированном режиме с помощью специализированного программного обеспечения управляющего компьютера 5.

Таким образом, детектор 3 трижды подвергают воздействию равномерным полем импульсного излучения. В результате при помощи блока регистрации 4 измеряют амплитуды световых сигналов, формируемые при прохождении высокоэнергичных заряженных частиц импульсного излучения 6 через сцинтилляционный детектор 3, с учетом координат места прохождения частиц (расположения измерительных каналов). При данном воздействии излучения проводят контроль световыхода путем сравнения амплитудно-координатной зависимости с аналогичной зависимостью для известных значений световыхода, определяющих светосбор сцинтилляционного детектора 3. Контроль проводят с учетом интенсивности излучения для каждого импульса и с использованием калибровочно-нормировочных каналов, размещенных на оси излучения.

Результаты измерений сохраняют в памяти компьютера 5 в числовом виде. Для осуществления возможности визуально обнаруживать дефекты сборки детектора 3 интерфейс специализированного программного обеспечения позволяет представлять выбранный массив данных в виде различных графических отображений, в том числе - контрастного пиксельного изображения с цветовым градиентом интенсивности сигнала (фиг. 3).

Неравномерность цветового обозначения элементов массива показывает относительный разброс параметров измерительных каналов. Определяют величину этого разброса и причину ослабления отдельных каналов или их групп с учетом технологии сборки многоканального детектора. В результате делается несколько важных выводов. Во-первых, наличие повреждений, причиной которых может быть отдельное волокно (фиг. 4) или целая группа волокон. Во-вторых, выполнение требований о равномерности отклика измерительных каналов. И, наконец, определяется общая эффективность светосбора исследуемого детектора 3. Результаты измерений позволяют определить оптимальный порядок расположения исправных частей модульного детектора в соответсвие с их параметрами, а также отправить на доработку части детектора с поврежденными измерительными каналами.

Для возможности определения корректного расположения каналов в многоканальном детекторе 3 за счет выявления погрешностей подключения каналов и ошибок их сборки в детекторе детектор 3 однократно подвергают воздействию импульсного излучения через установленные на торцевой поверхности детектора 3 со стороны источника излучения 1 сменные свинцовые тестовые объекты 7 (фиг. 2) простой геометрической формы. Ослабление части пучка тормозного излучения приведет к уменьшению амплитуд сигналов в перекрытых измерительных каналах. Простой геометрической формы сменных свинцовых тестовых объектов (треугольник и прямоугольник) достаточно, чтобы исключить два типа некорректной стыковки соединителей.

Например, на фиг. 3 представлено графическое отображение отклика каналов модулей при установке тестового объекта в виде прямоугольника, содержащее видимое смещение части полосы относительно вертикальной оси симметрии, что демонстрирует некорректную сборку оптического тракта. Прямоугольная полоса располагается вдоль вертикальной оси симметрии модуля со смещением относительно нее. Искажение границ прямоугольника на контрастном изображении пикселей в интерфейсе позволяет обнаружить ошибку в подключении разъемов, соседствующих в одной «линии» матрицы детектора 3.

Однако полоса не позволяет вычислить нарушение очередности соединителей «в столбце матрицы» детектора 3. Для этого используют свинцовый тестовый объект в виде треугольника. В случае дефекта графическое отображение отклика каналов модулей будет содержать видимое смещение частей фигуры от ожидаемых границ, что демонстрирует некорректную сборку оптического тракта, где на фиг. 6 диагональные линии боковых сторон треугольника приобрели явные пилообразные изломы, а на фиг. 7 - верхняя часть треугольника имеет разрыв. Выявленные дефекты свидетельствуют об ошибках сборки детектора 3 или нарушения порядка подключения к платам регистрации. Измерения позволяют найти сколы, загрязнения и прочие дефекты оптического тракта. Кроме того, определяются сбои, связанные с фото диодными матрицами.

Таким образом, данный способ позволяет оценивать исправность каждого оптического канала многоканального детектора по интенсивности отклика на заданное воздействие тормозным излучением, гарантируя исправность каждого канала многоканального модуля на этапе монтажа для исключения трудоемкого и дорогостоящего процесса замены каналов.

Рассмотренный вариант выполнения изобретения был реализован на предприятии при проведении контроля состояния многоканального сцинтилляционного детектора, подтвердив оперативность и точность измерения заявляемого способа.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, относится к области измерительной техники, а именно к контролю параметров сцинтилляционного детектора, и может быть использовано для контроля качества сборки сцинтилляционного детектора и его состояния в различных условиях эксплуатации в течение всего срока службы;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для обеспечения повышения оперативности контроля одновременно всех каналов собранного многоканального сцинтилляционного детектора с обеспечением точности измерения;

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность изобретения заключается в том, что способ контроля состояния многоканального сцинтилляционного детектора дополнительно содержит этапы, на которых импульсное воздействие осуществляют равномерным полем излучения на всю торцевую поверхность многоканального детектора, а контроль проводят с учетом интенсивности излучения для каждого импульса и с использованием калибровочно-нормировочных каналов, размещенных на оси излучения. Технический результат - повышение оперативности контроля одновременно всех каналов собранного многоканального сцинтилляционного детектора с обеспечением точности измерения. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ контроля состояния многоканального сцинтилляционного детектора заключается в том, что измеряют амплитуды сигналов, формируемых при прохождении высокоэнергичных заряженных частиц импульсного излучения через сцинтилляционный детектор, с учетом координат места прохождения частиц, и проводят контроль световыхода при данном воздействии излучения путем сравнения амплитудно-координатной зависимости с аналогичной зависимостью для известных значений световыхода, определяющих светосбор сцинтилляционного детектора, отличающийся тем, что импульсное воздействие осуществляют равномерным полем излучения на всю торцевую поверхность многоканального детектора, а контроль проводят с учетом интенсивности излучения для каждого импульса и с использованием калибровочно-нормировочных каналов, размещенных на оси излучения.

2. Способ контроля состояния многоканального сцинтилляционного детектора по п.1, отличающийся тем, что в качестве калибровочно-нормировочных каналов используют каналы, выполненные из материала с низкой плотностью, например, из пластика.

3. Способ контроля состояния многоканального сцинтилляционного детектора по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют через сменные свинцовые тестовые объекты.