Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя Советский патент 1990 года по МПК H05H7/00 G01T1/17 

Изобретение относится к ускорительной технике и дозиметрии иоиизи- руюпщх излучсит й,, в частности к линейным ускорителям ионов. „

Целью изобретения является повышение чувствительности измерений.

На фиг, 1 приведена схема конструкции измерителя с фокусирующей системой, состоящей из двух отражателей света; на- фиг. 2 - сечение по А-А фиг, 1; на фиг. 3 - кривые расиреде- ления интенсивности излучения, снимаемые измерителем при различном суммарном размере сцинтилляторов по продольной координате Z и расположении источника излучения на оси ускорителя в точке на расстоянии а от оси световода на фиг. А - зави- неоднородности показаний измерителя

.. Цмдкс Цяич UMOKC

от отношения длины измерителя L к диаметру световода D при .различнЬ х углах расходимости пучка света р и коэффициента отражения р поверхности световода; на фиг. 5 изображена схема системы сцинтилляторов с параболическими отражателями на фиг. 6 - схема конструкции измерителя с фокусирующей системой, состоящей из двух линз; на фиг. 7 - сечение по .на фиг. 6; на фиг. 8 - схема системы сцинтиллятора с линзами; на фиг. 9 представлена зависимость световыхода 2 системы сцинтиллятор-линзы от диа- метра d сцинтиллятора.

Устройство содержит полый зеркальный светрвод 1, который расположен вдоль и вплотную к конструкции линейного ускорителя 2 ионов параллельно его оси, цилиндрические сцинтиллято ры .3, предназначенные для преобразования ионизирующего излучения в световые сигналы, покрытие 4 сцинтиллятора, светоотражающего изнутри и све- топоглопдаклцего снаружи, служащего для переноса света сцинтиллятора на его открытый торец и устранения боль- шой угловой расходимости светового пучка, полые зеркальные переходники 5, служащие для концентрации света в фокусе отражателе 6, обеспечивающих квазипараллельность пучка света, цилиндрическую светопоглощающую накладку 7, служащую для устранения попадания света от сцинтиллятора непосредственно на световод, фотоэлектронные умножители 8р у ;танов;генные на концах

световода и служащие для преобразования световых сигналов в электрические, каретку 9, на которой закреплены сцинтиллятор1 1 с отражателями, которая служит длч передвижения их по

направляющим 10, электродвигатель 11, который служит цля перемещения каретки с помощью нити 12, оптические линзы 13, служащие для фокусировки света в квазипараллельный пучок-, светопоглощающие перегородки 14 .участка измерения, систему сцинтилля1-оров, снабженную устройством оптической фокусировки света., установленную внутри световода с возможностью перемещения

по всей его длине вдоль его оси, рас положенную так, что световые сигналы направлены в противоположные концы световода, где установлены два фотоэлектронных умножителя, система сцинтилляторов выполнена в виде двух цилиндров 5 кажды} из которых имеет покрытие, светоотражающее изнутри и светопоглощакяцее снаружи, охватываю- щее цилиндрическую поверхность и поверхность .одного основания каждого сцинтиллятора, к каждому из сцинтилляторов прикреплен параболический отражатель,, в фокусе которого расположен центр открытого торца сцинтиллятора. К краям отражателей присоединены светопоглощающие накладки циг линдрической формы, длина которых равна расстоянию от фокуса отражателя до плоскости, проходящей через его

-Край. Светосодержащее- изнутри покрытие сцинтиллятора обеспечивает собирание света на его открытом торце и вместе со светопоглощающими накладками на краях отражателей и внешним

светопоглощающим покрытием сцинтиллятора устраняет возможность попадания, света непосредственно от сцинтилля- . тора на поверхность световода и, следовательно, устраняет больщие углы расходимости светового пучка, идущего от системы сцинтилляторы-отра- жатели в противоположные концы световода. Наибольший суммарньй размер, системы сцинтилляторов вдоль продольной оси составляет 2/3 расстояния от

оси световода до оси ускорителя..

С целью дальнейшего увеличения чувствительности измерителя увеличивают д 1аметр сцинтилляторов в 2-3

раза и устанавливают на торцах CUHII- тилляторов, обращенных в сторону отражателей, полые зеркальные переход- ники-фоконы, выходное, отверстие ко- торых находится в фокуса.; отражателей и имеет диаметр, меньший диаметра сцицтиллятора и равный расчетно- му значению d,, при котором обеспечивается заданная угловая рас- ходимость if пучка света от отражателя (при заданном фокусном расстоянии отражателя q). Диаметр сцинтилля торов может быть больше диаметра d в раза. Внешняя сторона фоконов должна иметь светопоглощающее покрытие по той причине, что и покрытие сцинтиллятора, чтобы устранить отражение света от фокона и появление лучей .с большей угловой расходимость

С целью дальнейшего увеличения чувствительности система сцинтилля- торов выполнена из одного сцинтилля- тора цилиндрической формы, ось которого расположена по оси световода; цилиндрическая поверхность сцинтиллятора имеет покрытие, светоотражающее изнутри и светопоглощающее снаружи На торцах установлены полые зеркальные переходники-фоконы; с двух сторо от С1щнтш1лятора установлены оптические линзы-, фокусы которых находятся в центре вьгкодных отверстий фоконов. Пространство между линзами разделено светопоглощающей перегородкой 14, устраняющей попадание света, служаще для поглощения света, отраженного от внутренней поверхности линз.

Устройство работает следующим образом. Полый зеркальньй световод 1, диаметр которого может быть равен 0,06-0,12 м, а длина .-20-30 м, расположен неподвижно на участке ускорителя,, где необходимо провести измерение распределения потерь пучка, вплотную к резонаторам ускорителя, Затем при включенном ускорителе с помощью электродвигателя 11 и нити 12 перемещают каретку 9 с прикрепленными к ней отражателями 6, сцинтиллято рами 3, имеющими покрытие 4 и полые зеркальные переходники 5, по направляющим to из одного конца световода в другой. При этом ионизирукнцее излучение, проходящее через сцинтилля- тор, вызовет испускание света-. Свет от сцинтилляторов с помощью светоот- ражайщих покрытий 4 и полых зеркальных переходников 5 соберется в выходном отверстии малого диаметра, расположенном в отражателей, бу- дпт направлен отражателями в виде пучка малой угловой расходимости в противоположные конц -i световода 1, где попадает на фотокатоды стоящих там фотоэлектро(1ных умножителей 8, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Электрические сигналы после фотоэлектронных умножи- телей складываются в результирующий сиг-нал. Таким образом получают распределение ио1и{зирующего излучения вдоль участка измерения.

Суммарная длина по Z системы сцинтилляторов влияет на точность измерения, которую можтю характеризовать разрешением iZ - расстоянием по Z, на котором еще можно различить два точечных источника ионизирующего излучения равной интенсивности. При общей длине по Z сцинтилляторов 2 q /3-, где q - расстояние от оси световода до оси ускорителя, разрешение увеличивается (т.е. ухудшается) на 6% по сравнению со случаем одного точечного сцинтиллятора, а при больших длинах (1-1,3)а разрешение ДZ больше разрешения точечного сцинтиллятора на 12-18%, т.е. при длине сцинтилляторов, большей 2а /3, происходит ......

быстрое ухудшение точности измерения.

Распределение интенсивности I ионизирующего излучения по продольной координате Z в случае измерителя с одним сцинтиллятором малых размеров без учета затухания в световоде будет иметь вид

I,(Z)

1 + (

Z-Z,

где 1 - интенсивность при

а - расстояние от сцинтиллятора до оси ускорителя; q - фокусное расстояние отражателя .

Величина Д. Z определяется шириной по Z кривой I(Z) на полувысоте и равна

uZ, 2а

График I,(Z) приведен на фиг.З, кривая 15. В случае двух протяженных сцинтилляторов длиной 1, находящихся один от другого на расстоянии 2q,

...

1

I (z)r { H +

7-7 -7

J ,4(.-)2

Ч

М.

dZ

7-7 -7 1 -1. ( ° М

-v« С константа, определл емая из условия нормиров5си

1з(2,Ы, График I;,(Z) Д.ПЯ 2(q+l)2 а/зЗ- 0,1А

3

приведен на фиг. 3, кривая 16. Величина uZ больше uZ, на 6%.. Кривая 17 чна фиг. 3 дает значение ) для значения 2(q-f-l)a. Здесь величина uZ, уже больше и Z, на 12%.. Перелом в увеличении & Z и соответственно в ухудшении точности измерения наступает в районе значения 2(q-f 1 )2 а/3, поэтому, увеличивать длину каждого из сцинтилляторов больше a/3-q неэффективно.

; Отношение диаметра торца сцинтнл- лятора к величине фокусного расстояния отражателя достигает значения О, 1 и определяется расчетным путем из выбираемой допустимой неоднородности показания измерителя от продольной координаты сцггнтиллятора. Отношение фокусного расстояния отражателя к его диаметру определяется расчетным путЪм из условий достижения найбольи его потока света, попадакяце- го на отражатель. На фиг..4-приведены кривые максимальной длины измерителя L от величины неоднородности показаний-измерителя S при постоянном потоке света от продольной координаты сцинтиллятора

«v т

мин

махс

где 1д, , д,„„ - максимальное и минимальное показания измерителя, для нескольких значений угла расходимости пучка света и коэффициентов отражения поверхности световода л . Достиже™ иие большой длины измерителя Ь-20м при диаметре световода ,1. м при пренебрежимо малой неоднородности по казания измерителя S 1,3-3% для практически достижимого значения р 0,96 связано с уменьшением угла расходимости tp светового пучка до значенкй -5 . Угол расходимости определяется диаметром торца сцинтцл- лятора d, находящегося в фокусе отражателя, и фокусным рягстбяиием q отражателя

tgq- 2q

Для (f 3 , 1q

Уравнение сечения поверхности параболического отражателя плоскостью, проходящей через ось световода, имеет вид , где Y и Z - пог.еречная и продольная

координаты соответственно. Ни .фиг. 5 изображена схема отражателя со сцин- тиллятором. При диаметре отражателя, равном диаметру световода ,t м, ,025 м, ,.0025 м, весь свет,

выходящий из сдинтиллятора, попадае на отражатель. Угол у , обозначенньп . на фиг. 5, в этом случае равен 90 . При увеличении диаметра d и фокусного расстояния с| при неизменном их отношении угол у уменьшается и уменьшается поток света Ф,.попадающий на отражатель

а(1-Со8() Фд,

где Фд - поток света, идущий от сцинтиллятора.. В таблице приведен ряд значений d н q при их неизменном отношеЬии, и угле расходимости ср 3 , соответствующие им величины If , Ф/Ф, величина относительного увеличения объема сцинтиллятора V/V, тень от

, где D -диасцинтиллятора; t « ( - )

D

метр отражателя D Oj1-M, коэффициент изменения светового потока, выходящего с отражателя под углом расходимосЗо

Ф J/ Фо V

ь

Величина V/V определялась фор(-lynoA

V , d

vT- -d7

-q«)

где a - расстояние от оси ускорителя до сцинтиллятора, ,24 м; d,qg диаметр сцинтиллятора и фокусное расстояние отражателя соответственно при ( 90° .

Из таблицы видно, что тень от сциптшшятора пренебрежимо мала, све- Товыход системы сцинтиллятор-отража- тель при изменении фокусного расстояния отражателя имеет плавный максимум. В случае приведенных параметров

V 0,03-0,04 м.

Если применить не конический, а параболический фокон и принять значение коэффии(иента отражения фокона 0,9-0,96, которое может быть р еально достижимо, то выигрыш в световоде- возрастет еще на 20-30%.

В случае конструкции измерителя, изображенного на фиг. 6, от длины сцинтиллятора зависит разрешение л Z .измерителя и с достаточной точностью справедливы кривые распределения фиг. 3 интенсивности излучения при точечном источнике излучения на оси ускорителя. При длине сцинтиллятора

ч 2а

1 точность измерения ухудшается

на 6% по сравнению со сцинтиллято- ром малых размеров, а увеличение длины сцинтиллятора больше значения 2а 3

значительному ухудшению точности измерения.

Отношение диаметра торца сцинтиллятора к величине фокусного расстояния линзы достигает значения ,1 и определяется расчетным путем из выбираемой допустимой неоднородности показания измерителя от продолы ой

нежелательно, так как приводит к

координаты сцинтиллятора. Отношение фокусного расстояния линз к сс диа-

метру определяется расчетным путем из условий оптимального соотношения величины потока света, выходящего из системы сцинтиллятор-линза, и рассто янием между линзами.

Угол расхо,цимости светового пучка tf определяется диаметром торца сцинтиллятора d и фокусным расстоянием, q линзы. Если требуемая неоднородность измерителя б 1,5% при коэффициенте

отражения р 0,96, то угол ср должен быть -3,ad-0,1q. . В изображенной на фиг. & схеме сцинтиллятора с линзами при диаметре линзы, равном диаметру световода

,1 м, угол между осью световода и крайним лучом, попаданщим на линзу, удовлетворяет соотношению

При увеличении диаметра d и фокусного расстояния q при их неизменном от-, ношении угол ( уменьшается и уменьшается поток света Ф, попадающий на линзу

Ф(1-со5() Фg (1-cos(arctg 2) J,.

где Ф - поток света, выходящий из

сцинтиллятора.

Световыход .системы сцинтиллятор - линза

-()-((-cos(.rct

d 0,01 м

График зависимости {) (d) при , 1 м, - 0,1 приведен на фиг. 9. Из графика видно, что световыход достигает г, максимума при наибольшем значении d, равном диаметру световода. Однако , увеличение d больше 0,01-0,02 м нецелесообразно, так как при световыхода очень мал, а рост длины Ш системы-сцинтиллятор-линзы велик, что приводит к возникновению мертвой зоны измерений.

С целью дальнейшего увеличения чувствительности измерителя увеличи- 15 вают диаметр сцинтиллятора в 2-3 раза .и устанавливают на его торцах полые зеркальные переходники-фоконы, выз одные отверстия которых находят- в фокусах линз и имеют диаметры 20 в 2-3 раза меньше диаметра сцинтиллятора и равные расчетному значению d

d 2q tgcf,

при котором обеспечивается заданная 5 угловая расходимость q пучка света, идущего от системы сцинтиллятор-лин- зы. Выигрыш в световыходе по сравнению со случаем без фоконов составит не менее 60-100%.. 30

Работа устройства, изображенного на фиг. 9, отличается от изображен- ного На фиг. 4 тем, что свет от сцинтиллятора, вьш1едший из фоконов, будет направлен линзами в виде пучка 35 малой угловой расходимости в противоположные концы световода с помощью линз. ,

Расчетным путем установлено, что , конструкция системы сцинтилляторов с 40 отражателями позволяет увеличить объем сцинтиллятора гфимерно в 3-4 раза, конструкция с линзами - в 5-6 раз. Применение фоконов позволяет увеличить эффективный объем еще в 1,5- 45 2 раза. Поскольку чувствительность . измерителя пропорциональна эффективному объему, то использование . изобретения позволит увеличить чувст- вительнос ть в 5-12 раз.50

Использование изобретения уменьшит поток света в зеркальном световоде за счет сужения угловой расходимости пучка спета, идущего от системы сцинтиллятор-оптические элементы, gg а малые потери света в свою очередь сведут к допустимой величине 3-5% паразитную яаписимость показания измерителя от координаты сцинтиллят ров jipH больших длинах световода 20-30 м, что в 4-6 раз превьппает максимальную длину измерителя-прототипа Формула изобретения

1.Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя, содержащее полый зеркальный световод, расположенньпЧ вдоль и параллельно оси канала линейного уско рителя вплотную к нему и имеющий длину, равную длине участка измерения, внутри которого расположена система сцинтилляторов с элементами для фокусировки пучков светового излучения к взаимно противоположным торцам све товода, на которых установлены фотоэлектронные умножители,, и механизм для перемещения сцинтилляторов вдоль полого световода, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, система сцинтилляторов выполнена в виде двух цилиндров, каждый из которых имеет светортражанядее изнутри покрытие, нанесенное на боковую цилиндрическую поверхность и поверхность одного торца каждого .сцинтиллятора, сЦинтилляторы снабжены . параболическими отражателями света, расположенными так, что центр откры- тово торца сцинтиллятора- совмещен с фокусом его отражателя, а на краях отражателей установлены светопогло- щающие накладки цилиндрической формы при этом, суммарная длина сцинтилля-. торов равна 2/3 расстояния от оси световода до оси ускорителя.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на открытых торцах сцинтилляторов установ лены полые зеркальные переходники, покрытые снаружи светопоглощакщим покрытием, фокусы отражателей расположены в центрах выходных отверстий зеркальных переходников.

3.Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что система сцинтилляторов состоит из одного сцинтиллятора цилиндрической формы на торцах сцинтиллятора установлены полые зеркальные переходники, с двух сторон от сцинтиллятора установлены фокусирующие линзы так, что фокусы линз совпадают с центрами отверстий зеркальных переходников, пространство между линзами разделено светопог- лощающей перегородкой.

(fQ SB

W fffO zOff 2W й/.

(риг. 5

/ /V 3 V 5

/ / / / / /

5

5

/

5 1

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя содержит польш зеркальный световод (ПЗС).1, систему сцинтилляторов 3, каретку для сцир{- тилляторов 3 и механизм ее перемещения. Цель достигается тем, что сцин- тилляторы 3 имеют форму цилиндров с покрытием 4, светоотражающим изнутри и светопоглощающим снаружи, снабжены параболическими отражателями 6 света для обеспечения квазипараллельности пучка света и имеют светопоглощающую накладку 7 цилиндрической формы для устранения попадания света на ПЗС 1, причем суммарная длина сцинтилляторов 3 равна 2/3 расстояния от Ьсг; ПЗС 1 до оси ускорителя. В описании изобретения дан вариант конструкции сцинтиллятора 3. 2 з.п. ф-лы, 9 цл, 1 табл. i® 4щп13

(puz.6

.eB.

0,05(i,efi

Составитель H, Катииова Редактор Т. Лошкарева Техред М.Ходанич Корректор В. Гирняк

Заказ 157.Тираж 666 Подписное

ВНИЖШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, Р., Ужгород, ул. Проектная, А