Патент на изобретение №2290666

(54) ДЕТЕКТОР ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах. Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения, расширение функциональных возможностей детектора, одновременная регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма лучей. Сущность изобретения: в детекторе проникающих излучений волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов, волокна покрыты слоем люминофора и выполнены в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды. Содержит не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива и ПЗС-матрицы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.

Известна портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001, содержащая источник -излучения, детектор рассеянного -излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного -излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей.

Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001. Инструкция по эксплуатации, 1998 г.

Источник -излучения имеет большую мощность, что создает опасность для персонала. Система не может быть использована при рабочих температурах ниже 0°С.

Известно устройство для анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник -излучения, детектор -излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей. Исследуемый образец помещается между источником и детектором.

Патент Великобритании №2088050, G 01 N 23/08, 1998 г.

Недостатком изобретения является низкая стабильность измерений.

Известно устройство для обнаружения контрабанды, содержащее полиэнергетический источник -излучения, спектрометрический детектор -излучения, усилитель сигналов детектора, амплитудно-цифровой преобразователь, контроллер и компаратор интенсивности импульсов в избранных энергетических областях (селектор импульсов отраженного -излучения) и дисплей.

Патент Российской Федерации №2161299, МПК: G 01 N 23/08, 2000 г.

Детектор, реагируя на наличие за экраном присоединенной массы (контрабанды), не позволяет судить о характере скрытого материала.

Интенсивность регистрируемого при этом отраженного -излучения зависит не только от плотности материала закладки, но и от геометрических размеров скрытой закладки.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон, электронно-оптическая система содержит фотоприемники.

Патент США №4942302, МПК: G 01 Т 3/06, 1990 г.

Указанное устройство имеет низкую эффективность, т.к. сцинтиллирующие оптические волокна выполнены с квадратным сечением, окружены алюминиевыми прокладками.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон. Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон, а электронно-оптическая система выполнена в виде позиционно-чувствительных фотоприемников, оптически сопряженных с соответствующими гранями волоконного параллелепипеда.

Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна.

Электронно-оптическая система содержит локальные подсистемы, в которые введены полупрозрачные пластины для ответвления оптической мощности на быстродействующие приемники.

Патент Российской Федерации №2119178, МПК: G 01 Т 3/06, Пономарев-Степной Н.Н., Тарабрин Ю.А., Яковлев Г.В., Бюл. №26, 1998 г. Прототип.

Прототип сложен для реализации, имеет сравнительно низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации только быстрых нейтронов, в частности одиночных.

Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения, расширение функциональных возможностей детектора, одновременная регистрация различных видов проникающего излучения: быстрых нейтронов, и/или тепловых нейтронов, и/или рентгеновских и гамма лучей.

Технический результат достигается тем, что в детекторе проникающих излучений, содержащем волоконный модуль, собранный из сцинтиллирующих оптических волокон и оптическую систему регистрации излучения, выходящего из торцов этих волокон, волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов, а оптическая система содержит отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива, с которого световой поток попадает на ПЗС-матрицу.

Сцинтиллирующие волокна экрана-преобразователя покрыты слоем люминофора. Сцинтиллирующие волокна выполнены в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, на котором представлена оптическая схема регистрации проникающих излучений для конусного пучка, где: 1 – ПЗС-матрица, 2 – масштабирующий объектив, 3 – усилитель изображения, 4 – проекционный объектив со светофильтром, 5 – комбинированный люминесцентный экран-преобразователь, 6 – отклоняющее зеркало.

Детектор излучения эффективен для осуществления радиографии как в коническом пучке быстрых нейтронов, так и в случае комбинированного излучения. При облучении комбинированного экрана-преобразователя 2 потоком быстрых нейтронов и/или рентгеновского излучения происходит преобразование нейтронного и/или рентгеновского излучения в световое излучение.

Работа устройства основана на использовании комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя 5, преобразовании разных падающих видов излучения в самостоятельные световые потоки различного спектрального состава, их разделении отклоняющим зеркалом 6. Отклоняющим зеркалом 6 разделяют и направляют световые потоки на проекционные объективы 4 с соответствующими светофильтрами по каналам каждого вида излучения. Затем световой поток попадает на усилитель изображения 3 и далее с помощью масштабирующего объектива 2 на ПЗС-матрицу 1. Принцип работы детектора излучений основан на том, что изображения формируются в различных областях оптического спектра с помощью комбинированного композитного люминесцентного экрана-преобразователя 5.

Для обеспечения плотной упаковки волокон в экране-преобразователе 5 сечение волокна должно быть квадратным. Величина сечения определяется с учетом размера экрана (150×150), количества элементов ПЗС-матрицы 1 (560×768), а также пространственного разрешения детектора (примерно 1,5 толщины волокна). Для указанных размеров сечение волокна должно составлять около 1×1 мм².

Прямоугольное сечение волокон обеспечивает достаточно высокую (примерно, 90%) плотность их упаковки в экране-преобразователе 5. В случае конических волокон плотность их упаковки ниже. Ниже оказывается и эффективность регистрации. Волокна экрана-преобразователя 5 изготовлены из полистирола и имеют светоотражающую оболочку. Светоотражающая оболочка может быть выполнена в виде тонкого слоя серебристой краски. Наличие оболочки обеспечивает полное внутреннее отражение световой вспышки при ее распространении вдоль волокна.

Макетный образец детектора нейтронов имеет экран-преобразователь 5 с входным сечением 150×150 мм и выходным сечением около 200×200 мм. Протяженность экрана-преобразователя 5 составляет 100 мм. Оптическое изображение, возникающее в экране-преобразователе 5 в результате облучения быстрыми нейтронами, переносится по волокнам на поверхность, обращенную в сторону проекционного объектива 5, а затем с его помощью – на усилитель изображения 6 и далее с помощью масштабирующего объектива 7 на ПЗС-матрицу 8.

Для регистрации быстрых нейтронов обычно используют полимерные оптические волокна, в частности из люминесцирующего полистирола.

При регистрации тепловых нейтронов – из люминесцирующего полистирола с добавками бора. При регистрации рентгеновского и гамма излучений оптические волокна выполняют из прозрачных сцинтилляторов, предназначенных для регистрации этих видов излучения: германат висмута, иттриевый гранат и др.

В нашем случае волокна из люминесцирующего полистирола покрыты люминофорами известных светосоставов для соответствующих видов излучений.

Для регистрации тепловых нейтронов использованы отрезки сцинтиллирующих волокон со светосоставами: ⁶LiF ZnS:Ag или Gd₂O₂S:Tb, или ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb, или ¹⁰BZnS:Ag.

В случае использования светосостава ⁶LiF ZnS:Ag ядро изотопа лития захватывает тепловой нейтрон и излучает тритон и альфа частицы, которые и вызывают сцинтилляционное свечение сульфида цинка.

В случае использования светосостава Gd₂O₂S:Tb или ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb ядро ¹⁵⁷Gd захватывает нейтрон и излучает конверсионный электрон, который возбуждает сцинтилляционное свечение в светосоставе. Для регистрации рентгеновских и гамма квантов использован светосостав Gd₂O₂S:Tb. В таком светосоставе под действием рентгеновских и гамма квантов возникают заряженные частицы: электроны и позитроны, которые и вызывают сцинтилляционное свечение Gd₂O₂S:Tb.

Для того чтобы экран-преобразователь 5 был максимально эффективен, осевые линии волокон должны пересекаться в одной точке, а именно в центре, где будет расположен источник излучения, а каждое волокно должно быть в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды. В последнем случае плотность упаковки волокон в экране-преобразователе 5 составит 90%. При выходном сечении волокна 1×1 мм² входное сечение волокна должно составлять 0,8×0,8 мм².

Избирательность регистрации того или иного изображения обеспечивается соответствующими светофильтрами, установленными на проекционные объективы 4 в каждом канале.

Формула изобретения

1. Детектор проникающих излучений, содержащий волоконный модуль, собранный из сцинтиллирующих оптических волокон, оптическую систему регистрации излучения, выходящего из торцов этих волокон, отличающийся тем, что волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов, а оптическая система содержит отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива, с которого световой поток попадает на ПЗС-матрицу.

2. Детектор проникающих излучений по п.1, отличающийся тем, что сцинтиллирующие волокна экрана-преобразователя покрыты слоем люминофора.

3. Детектор проникающих излучений по п.1 или 2, отличающийся тем, что сцинтиллирующие волокна экрана-преобразователя выполнены в виде усеченного конуса или усеченной прямой пирамиды.

РИСУНКИ