способ градуировки относительных чувствительностей детекторов, предназначенных для регистрации характеристик жесткого гамма- или тормозного излучения

Формула изобретения

1. Способ градуировки относительных чувствительностей детекторов различного типа с различными спектральными характеристиками (СХ), предназначенных для регистрации характеристик жесткого гамма- или тормозного излучения, заключающийся в том, что

осуществляют регистрацию токов с детекторов, возникающих при срабатывании источника излучения,

проводят сквозной расчет процессов, связанных с воздействием излучения на чувствительные элементы детекторов,

производят обработку результатов регистрации

и при этом определяют коэффициенты относительных чувствительностей детекторов,

отличающийся тем, что

градуировку проводят непосредственно в рабочей редакции измерений,

в качестве градуировочного источника излучения используют импульсный источник излучения с непрерывным спектром

осуществляют выравнивание наклонов СХ детекторов с использованием комбинации изменений в системе детекторов, относящихся к прохождению излучения до чувствительных элементов,

выравнивание наклонов СХ детекторов осуществляют в энергетическом диапазоне, содержащем основной спектр квантов импульсного источника,

при сохранении установки системы детекторов в заданной рабочей геометрии измерений с обеспечением сохранности цепочки преобразования процессов в чувствительном элементе в выходной ток с детектора,

определение требуемых изменений в СХ детекторов осуществляют на основе проведения сквозных расчетов распространения и поглощения излучений, в том числе методом Монте-Карло, в изменяемой системе,

при этом находят совокупный набор изменений в системе детекторов,

по результатам расчетов вводят конкретные изменения в систему детекторов,

осуществляют регистрацию токов с детекторов, возникающих при срабатывании импульсного источника излучения с использованием рабочих регистраторов, источников питания и в целом рабочей схемы измерений

на основе которых производят обработку результатов регистрации и

определяют коэффициенты относительных чувствительностей детекторов.

2. Способ градуировки по п.1, отличающийся тем, что выравнивание СХ производят при наличии взаимозависимого влияния между детекторами в формировании СХ.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве параметров изменений выбраны изменение конструкции и материалов детекторов, разворот детекторов, изменение взаимной пространственной ориентации детекторов.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что

использована система детекторов, в которой различие детекторов обусловлено их положением относительно коллиматора и конвертора и регистрацией ими прямого или конвертированного излучения, и состоящая из первого детектора, расположенного в свету отверстия коллиматора в прямом потоке излучения и элементы которого - слой материала и чувствительный элемент - являются одновременно конвертором для второго детектора, имеющего установленный перед ним фильтр, расположенного вне отверстия коллиматора и регистрирующего рассеянное и вторичное излучение с конвертора под определенным углом (углом установки) к направлению первичного излучения.

5. Способ градуировки по п.4, отличающийся тем, что

выбирают систему детекторов такого физического типа, что их отклики обусловлены энергией излучений, поглощенной в чувствительных элементах.

6. Способ градуировки по п.5, отличающийся тем, что

в качестве детекторов в системе используют сцинтилляционные детекторы со сцинтилляторами на основе полистирола.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что

выравнивание СХ детекторов производится с помощью разворота детекторов прямого потока, изменения состава слоев, изменения угла установки второго детектора, изменения фильтра второго детектора.

8. Способ градуировки по п.1 или 4, отличающийся тем, что в качестве градуировочного источника излучения используется импульсный источник жесткого гамма- или тормозного излучения.

9. Способ градуировки по п.8, отличающийся тем,

что источником жесткого излучения является измеряемый рабочий источник ЛИУ-30.

10. Способ градуировки по п.9, отличающийся тем, что

для выравнивания СХ угол установки второго детектора уменьшается и уменьшается толщина его фильтра.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что угол установки второго детектора составляет 45°, а толщина фильтра составляет 10-12 мм.

12. Способ градуировки по п.9, отличающийся тем, что

для выравнивания СХ в конверторе - первом детекторе устанавливается слой из тяжелого материала, а у второго детектора уменьшается толщина фильтра.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что

в качестве тяжелого материала слоя используется железо в виде кольца или диска толщиной 20-25 мм, толщина фильтра составляет 5 мм, а угол установки второго детектора составляет 90°.

14. Способ градуировки по п.1 или 4, отличающийся тем, что в качестве градуировочного источника излучения используется импульсный источник мягкого гамма- или тормозного излучения, дополнительно установленный на оси коллиматора перед ним.

15. Способ градуировки по п.14, отличающийся тем, что источником мягкого импульсного излучения при проведении градуировки является малогабаритный ускоритель электронов Аргумент-1000.

16. Способ градуировки по п.15, отличающийся тем, что

для выравнивания СХ слой первого детектора берется минимальной толщины, а угол установки второго детектора составляет 45°.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для регистрации гамма- или тормозного излучения (ТИ) мощных импульсных источников, например, типа линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 [1. Пунин В.Т., Савченко В.А., Завьялов Н.В., Гордеев B.C., Герасимов А.И., Смирнов И.Г., Воинов М.А., Кошелев А.С., Кувшинов М.И. Мощные линейные индукционные ускорители электронов и облучательные комплексы на их основе для радиационных исследований. ВАНТ. Серия ФРВРЭА, 2000, № 3-4, с.95-99] с целью определения характеристик излучения. К характеристикам гамма-излучения или ТИ, в частности, относятся [2. Методические указания. Внедрение и применение ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин" в области ионизирующих излучений. РД 50-454-84. М.: Издательство стандартов, 1984]: Ф_w - флюенс энергии квантов; Ф - флюенс квантов, (E) - энергетическая плотность потока квантов излучения - спектр квантов, - средняя энергия квантов за импульс. Для регистрации излучений от источников типа ЛИУ-30 используются импульсные токовые детекторы. Актуальной задачей является повышение точности определения характеристик ТИ.

Для обозначения проблематики сделаем предварительные пояснения, касающиеся терминологии в характеристиках детекторов и определения спектрометрических характеристик излучения.

- Спектральной характеристикой (СХ) детектора называется зависимость чувствительности детектора (E) от энергии частиц излучения [3. Веретенников А.И., Горбачев В.М., Предеин Б.А. Методы исследования импульсных излучений. М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.9], в данном случае гамма-квантов или квантов ТИ.

- При регистрации излучения высокой интенсивности детекторы не различают отдельные кванты, а регистрируют импульс излучения в целом. Спектрометрические характеристики гамма- или тормозного излучения (E), мощных источников могут определяться, в частности, на основе использования набора или системы детекторов с различными СХ. При определении спектрометрических характеристик квантов излучения может использоваться, в частности, интегральное уравнение Фредгольма [3, стр.109], в котором используются СХ произвольного вида. Другим методом является использование набора детекторов, СХ которых представляются в линейном виде [4. Пат. 2317571 РФ, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения мощных импульсных источников и система для его осуществления / Н.К.Миронов, С.А.Лазарев, А.В.Грунин, П.И.Фролов // Бюллетень изобретений. 20.02.2008. № 5], [5. Миронов Н.К., Лазарев С.А., Грунин А.В., Залялов А.Н. Измерение средней энергии квантов тормозного излучения ускорителя ЛИУ-30 методом детекторов с линейными спектральными характеристиками // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», вып.15, 2010 г.]. Спектрометрические характеристики квантов (Е), определяются на основе относительных откликов детекторов. Характеристики Ф_w, Ф определяются на основе абсолютных откликов детекторов. Физические способы получения набора детекторов с отличающимися СХ могут быть различными.

- Важным этапом измерения характеристик излучений является проведение градуировки чувствительностей набора детекторов. Градуировка может быть абсолютной, при этом чувствительность детекторов определяется в абсолютных единицах, например A·cм²·с/кв. Для проведения абсолютной градуировки должен использоваться эталонный источник излучения с известной плотностью потока в месте установки детекторов. Градуировка может быть также относительной, то есть чувствительности детекторов определяются относительно друг друга. Для определения спектрометрических характеристик гамма-квантов или квантов ТИ достаточно определять относительные чувствительности детекторов, при этом знание абсолютного выхода градуировочного источника необязательно.

Цель данного предложения - разработка способов относительной градуировки набора детекторов, предназначенных для спектрометрических измерений излучений мощных импульсных источников.

Существует способ-аналог [3, стр.128] градуировки одинаковых детекторов с помощью импульсного источника непрерывного спектра. Импульсный источник обеспечивает более высокий уровень токов с детекторов. Недостатком данного способа градуировки в случае незнания или неточного знания спектра источника, который может быть также переменным, является возможность градуировки только одинаковых детекторов, с одинаковыми СХ.

Существует способ-аналог импульсной относительной градуировки чувствительности детекторов с помощью импульсного источника непрерывного спектра в методе поглощающих фильтров - МПФ [6. Результаты измерений спектра тормозного излучения моделирующей установки ЛИУ-10М методом поглощающих фильтров. Донской Е.Н, Крылевский Е.Н., Лазарев С.А, Лебедев Б.Л, Мысков Г.А., Филиппов В.О. VII Конференция по радиационной стойкости, Снежинск, 2004, с.164-171]. В данном методе МПФ используется набор одинаковых сцинтилляционных детекторов, перед которыми ставятся разные фильтры. За счет этого СХ детекторов в рабочем состоянии системы являются разными.

Данная система существует в двух состояниях: рабочем и градуировочном. В обычном состоянии с разными фильтрами система является рабочей, измерительной. При проведении градуировки измерительная система детекторов переводится из рабочего состояния в градуировочное состояние. Для этого в систему детекторов вносятся изменения - фильтры делаются одинаковыми, либо их удаляют совсем. Тем самым СХ детекторов при проведении градуировки являются полностью идентичными. Это означает постоянство отношения

Близким способом градуировки является способ-аналог градуировки в методике конверторов [7. Пат. 2297647 РФ, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ определения характеристик жесткого гамма-излучения мощных импульсных источников / В.Н.Антонов, В.И.Семенов, А.Е.Шмаров // Бюллетень изобретений. 20.04.2007. № 11]. При проведении градуировки перед детекторами ставится одинаковый конвертор.

Системы детекторов [6, 7] при проведении градуировки располагаются на своих рабочих местах, а для градуировки используется измеряемый источник. По окончании градуировки системы переводятся обратно в рабочее измерительное состояние.

Существенной особенностью данных градуировок является то, что при переводе систем в градуировочное состояние сохраняются неизменными оптические контакты сцинтилляторов с фотоприемниками. Это обеспечивает сохранность процессов образования света в сцинтилляторах и далее импульса тока в фотоприемниках. Собственно, при проведении градуировки главной целью является экспериментальное измерение цепочки процессов, состоящей в образовании световыхода сцинтиллятора и импульса тока в фотоприемнике, вызываемого светом. Эта цепочка не может быть определена расчетно. Выход света в сцинтилляторах и СХ детекторов в целом определяются поглощенной энергией в сцинтилляторах. Поглощенные энергии в сцинтилляторах в рабочем и градуировочном состояниях систем, определяемых наличием или отсутствием фильтров, достаточно точно рассчитываются по методу Монте-Карло [8. Донской Е.Н. Методика и программа ЭЛИЗА решения методом Монте-Карло задач совместного переноса -излучения, электронов и позитронов // ВАНТ. Сер. Математическое моделирование физических процессов. - 1993. - Вып.1. - С.3-6]. Чувствительности детекторов в рабочем состоянии определяются на основе экспериментальной градуировки системы в градуировочном состоянии и расчетов СХ в рабочем состоянии.

Спектр источника импульсного излучения может быть неизвестен либо известен недостаточно точно. Импульсный источник может работать в разных режимах с разными спектрами ТИ. Однако это обстоятельство не влияет на результат градуировки в случае одинаковых детекторов. Недостатком способов-аналогов [6, 7] с использованием источника с непрерывным спектром является возможность градуировки только одинаковых детекторов. При этом в рабочей системе делается только одно и очевидное изменение - перед детекторами устанавливаются фильтры или конверторы одинаковой толщины, либо фильтры или конверторы удаляются совсем, что приводит к идентичности детекторов.

Система детекторов для спектрометрических измерений может состоять из детекторов разного типа. Это могут быть детекторы, использующие разный физический принцип регистрации, например ионизационные детекторы и черенковские детекторы. Также под детекторами разного типа понимаются детекторы, использующие один принцип регистрации, но разные материалы чувствительного элемента. Например, сцинтилляционные детекторы могут иметь сцинтиллятор на основе полистирола или NaI(Tl). Детекторы в системе могут работать как независимо, так и с взаимным влиянием. Основным признаком системы детекторов разного типа являются различные СХ, которые не могут быть приведены в идентичное состояние.

Другим примером системы детекторов различного типа является спектрометрическая система [4] для определения характеристик тормозного или жесткого гамма-излучения. В этой системе различие СХ детекторов обусловлено различным положением детекторов относительно конвертора и регистрацией ими различных излучений. Детекторы регистрируют прямое излучение, рассеянные гамма-кванты и вторичные заряженные частицы.

Система содержит следующий за источником излучения коллиматор с отверстием, расположенные в зоне за коллиматором основной детектор и дополнительный детектор с фильтром, вдоль оси отверстия коллиматора за ним расположены конвертор излучения и основной детектор. Основной или первый детектор расположен в свету отверстия коллиматора и регистрирует прямой поток излучения. Конвертор образован чувствительным элементом основного детектора и размещенным перед ним слоем материала с толщиной, обеспечивающей получение СХ заданного вида.

В конкретном случае чувствительный элемент - сцинтиллятор первого детектора расположен в прямом потоке излучения квантов источника излучения напротив отверстия в коллиматоре. Перед сцинтиллятором детектора установлен диск из алюминия. Этот элемент детектора назван слоем материала. Слой из алюминия и сцинтиллятор первого детектора образуют в данном случае конвертор, на котором кванты рассеиваются и попадают на второй детектор.

Второй (или третий) детекторы устанавливаются за бетонной стеной (коллиматором) вне пятна отверстия в области регистрации конвертированного излучения каждый под определенным углом к оси отверстия коллиматора, что обеспечивает регистрацию конвертированного излучения и исключает воздействие первичного излучения на эти детекторы. Угол _i, образуемый осью отверстия коллиматора и линией вдоль направления, соединяющего конвертор и данный детектор, и соответствующий углу вылета конвертированного излучения, регистрируемого детектором, называется также углом установки детектора.

Используется два типа обозначений детекторов. Первый тип - формальная нумерация детекторов по номеру в системе - Д₁, Д ₂ и т.д. Второй тип обозначений связан с физическим местом детектора при регистрации прямого или конвертированного излучения. Это следующие обозначения: Д_п - детектор прямого потока излучения с конвертирующими слоями, одновременно являющийся первым и основным детектором; Д_кф - детектор конвертированного излучения с фильтром; Д_к - детектор конвертированного излучения без фильтра. Детекторы Д_к, Д_кф одновременно являются вторыми, третьими и т.д.

В конкретной реализации метода использованы сцинтилляционные детекторы с чувствительным элементом в виде сцинтиллятора на основе полистирола (химический состав (CH)_n) и фотоприемников. Каждый из упомянутых детекторов характеризуется откликом, пропорциональным поглощенной энергии излучения. СХ детекторов определяются расчетами по программам Монте-Карло [8]. В [4, 5] проведены результаты расчетных исследований зависимостей СХ детекторов от различных элементов системы: слоя конвертора-детектора, угла установки второго детектора, толщины фильтра второго детектора и т.д.

Вид сечений взаимодействия приводит к тому, что СХ ₂ второго детектора по отношению к первичному излучению ТИ существенно изменяются в сравнении с CX₁ первого детектора. Данный набор детекторов представляет собой набор детекторов разного физического типа.

Описанные системы детекторов различного физического типа могут градуироваться на изотопных источниках излучения.

Существует способ-прототип абсолютной и относительной градуировки детекторов на эталонном изотопном источнике Co-60 [9. Матвеев В.В., Хазанов Б.И. Приборы для измерений ионизирующих излучений. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, с.30-32, 1972 г.] с дискретным значением энергии квантов, равным в среднем 1,25 МэВ. Существует изотопная установка Эталон-3 с изотопом Co-60 из состава вторичного эталона ВЭТ 8-12-91. На установке с изотопным источником Co-60 возможна градуировка как набора детекторов одного, так и разного типов. Способ состоит в осуществлении регистрации токов с детекторов при воздействии источника излучения, проведении сквозных расчетов процессов, возникающих в результате воздействия излучения на чувствительные элементы детекторов, проведении обработки результатов регистрации и определении коэффициентов относительных чувствительностей детекторов.

Однако способ градуировки на изотопном источнике Co-60 имеет следующие недостатки. Во-первых, недостатком градуировки является статический характер излучения, что требует перестройки схемы регистрации с импульсного режима на статический. При этом как правило используется регистраторы другого типа (не рабочие) для измерения статических токов с детекторов. Градуировка на изотопном источнике Co-60 невозможна в случае использования схем суммирования информации [10. Пат. 2383034 РФ, МПК G01T 1/167 (2006.01). Способ регистрации характеристик тормозного или гамма-излучения мощных импульсных источников и устройство для его осуществления / Н.К.Миронов, С.А.Лазарев, П.И.Фролов // Бюллетень изобретений. 27.02.2010. № 6]. Другим недостатком данного способа являются низкие уровни плотностей потоков и мощностей доз, получаемых на изотопных источниках. Проведение градуировки наборов детекторов, предназначенных для измерений доз на ЛИУ-30, затруднительно с помощью изотопных установок. Так, например, мощность дозы от источника активностью в 10 Ки на расстоянии 70 см составляет примерно 15 мР/с. Это на много порядков меньше мощностей доз, получаемых на ЛИУ-30. (Например, при интегральной дозе излучения от ЛИУ-30 в 2 Р в импульсе длительностью 20 нс мощность дозы составляет ~10 ⁸ Р/с.) При работе с нано- или микроамперными токами проявляется влияние темновых токов с детекторов, которые нужно вычитать из измеряемых токов.

Изотопные источники активностью десятки Ки представляют собой стационарные установки, работа на которых требует повышенных мер безопасности. Спектрометрический набор детекторов может реализовываться в виде пространственных систем, снабженных защитой от рассеянного фона. Градуировка спектрометрических систем на установках с изотопным источником Co-60 требует переноса и воспроизведения таких систем, в том числе, вместе с системой коллимацией излучения и свинцовой защитой, с проведением юстировки и т.д. Этот процесс является достаточно трудоемким и может внести дополнительную погрешность при отличии геометрии измерений и градуировки. Также требуется частичный перенос аппаратуры, например источников питания детекторов, или тщательный контроль напряжения питания на существующих на установке источниках питания.

Задача состоит в том, чтобы усовершенствовать способ градуировки с учетом его применимости к системам детекторов разного типа.

Техническим результатом является упрощение процесса градуировки, возможность использования схемы суммирования информации.

Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа градуировки относительных чувствительностей системы детекторов различного типа с различными спектральными характеристиками (СХ), предназначенных для регистрации характеристик жесткого гамма- или тормозного излучения,

заключающегося в том, что

- осуществляют регистрацию токов с детекторов, возникающих при срабатывании источника излучения,

- проводят сквозной расчет процессов, связанных с воздействием излучения на чувствительные элементы детекторов,

- производят обработку результатов регистрации

и при этом определяют коэффициенты относительных чувствительностей детекторов, в предложенном способе

- градуировку проводят непосредственно в рабочей редакции измерений,

- в качестве градуировочного источника излучения используют импульсный источник излучения с непрерывным спектром,

- осуществляют выравнивание наклонов СХ детекторов с использованием комбинации изменений в системе детекторов, относящихся к прохождению излучения до чувствительных элементов,

- выравнивание наклонов СХ детекторов осуществляют на энергетическом диапазоне, содержащем основной спектр квантов импульсного источника при сохранении установки системы детекторов в заданной рабочей геометрии измерений с обеспечением сохранности цепочки преобразования процессов в чувствительном элементе в выходной ток с детектора,

- определение требуемых изменений в СХ детекторов осуществляют на основе проведения сквозных расчетов распространения и поглощения излучений, в том числе методом Монте-Карло, в изменяемой системе,

- при этом находят совокупный набор изменений в системе детекторов,

- по результатам расчетов вводят конкретные изменения в систему детекторов,

- осуществляют регистрацию токов с детекторов, возникающих при срабатывании импульсного источника излучения с использованием рабочих регистраторов, источников питания и в целом рабочей схемы измерений,

- на основе которых производят обработку результатов регистрации и

- определяют коэффициенты относительных чувствительностей детекторов.

Способ градуировки может отличаться тем, что выравнивание СХ производят при наличии взаимозависимого влияния между детекторами в формировании СХ.

При этом в качестве параметров изменений выбраны изменение конструкции и материалов детекторов, разворот детекторов, изменение взаимной пространственной ориентации детекторов.

В частности, способ градуировки может отличаться тем, что использована система детекторов, в которой различие детекторов обусловлено их положением относительно коллиматора и конвертора и регистрацией ими прямого или конвертированного излучения, состоящая из первого детектора, расположенного в свету отверстия коллиматора в прямом потоке излучения и элементы которого - слой материала и чувствительный элемент являются одновременно конвертором для второго детектора, имеющего установленный перед ним фильтр, расположенного вне отверстия коллиматора и регистрирующего рассеянное и вторичное излучение с конвертора под определенным углом (углом установки) к направлению первичного излучения.

При этом может быть выбрана система детекторов такого физического типа, что их отклики обусловлены энергией излучений, поглощенной в чувствительных элементах.

В частности, в качестве детекторов в такой системе могут использоваться сцинтилляционные детекторы со сцинтилляторами на основе полистирола.

В общем случае в вышеописанной системе выравнивание СХ детекторов может производиться с помощью разворота детекторов прямого потока, изменения состава слоев, изменения угла установки второго детектора, изменения фильтра второго детектора.

В качестве градуировочного источника излучения в способе может использоваться импульсный источник жесткого гамма- или тормозного излучения.

В частности, в этом случае в способе градуировки источником жесткого излучения может быть измеряемый рабочий источник ЛИУ-30.

Способ градуировки может отличаться тем, что для выравнивания СХ угол установки второго детектора уменьшается и уменьшается толщина его фильтра.

Способ может отличаться тем, что угол установки второго детектора составляет 45°, а толщина фильтра составляет 10-12 мм.

Способ градуировки может отличаться тем, что для выравнивания СХ в конверторе - первом детекторе устанавливается слой из тяжелого материала, а у второго детектора уменьшается толщина фильтра.

При этом способ может отличаться тем, что в качестве тяжелого материала слоя используется железо в виде кольца или диска толщиной 20-25 мм, толщина фильтра составляет 5 мм, а угол установки второго детектора составляет 90°.

Способ градуировки может отличаться тем, что в качестве градуировочного источника излучения используется импульсный источник мягкого гамма- или тормозного излучения, дополнительно установленный на оси коллиматора перед ним.

При этом источником мягкого импульсного излучения при проведении градуировки является малогабаритный ускоритель электронов Аргумент-1000.

В частности, в данном случае в способе градуировки для выравнивания СХ слой первого детектора берется минимальной толщины, а угол установки второго детектора составляет 45°.

Таким образом, предлагаются способы градуировки систем детекторов различного типа с помощью импульсных источников с непрерывным спектром. Для проведения градуировки системы детекторов различного типа с помощью импульсного источника излучения с непрерывным спектром, спектр которого может быть неизвестен либо известен недостаточно точно, следует проводить выравнивание наклонов СХ детекторов с использованием более широкой комбинации изменений в системе детекторов, относящихся к прохождению излучения до чувствительных элементов. Выравнивание наклонов СХ означает сближение параметров СХ и достижение независимости отношения откликов с детекторов от спектра квантов. Степень и точность выравнивания СХ и энергетический диапазон квантов, на котором производится выравнивание, зависит от вида системы детекторов и комбинации используемых методов выравнивания.

Продемонстрируем особенности способа с привлечением конкретной рабочей редакции измерений.

Предлагаются способы градуировки системы [4], [5] с помощью двух импульсных источников ТИ: ЛИУ-30 [1] и малогабаритного импульсного ускорителя электронов Аргумент-1000 [11. Завьялов Н.В., Канунов И.М., Полиенко Г.А., Хорошайло Е.С. Переносные импульсные рентгеновские аппараты "Аргумент-700" и "Аргумент-1000" с газовой изоляцией высоковольтных блоков // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно-исследовательское издание. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2005, выпуск 10. - С.80-87].

В рассматриваемой системе пары детекторов Д_п -Д_кф, Д_п-Д_к различны по своему типу, и их СХ не могут быть полностью идентичны. Различие между детекторами конвертированного излучения Д_к-Д_кф определяется наличием фильтра в Д_кф. Эти детекторы могут быть приведены в одно состояние с помощью перечисленных изменений в системе. Поэтому далее предлагаемый способ градуировки рассматривается на примере пары детекторов разного типа Д _п-Д_кф как нетривиальный способ. От двух детекторов при градуировке аналогично осуществляется переход к трем и т.д.

В данной системе существует взаимное влияние детекторов на формирование СХ. В частности, конструкция детектора-конвертора Д_п влияет и на СХ данного детектора и на СХ второго детектора.

При проведении градуировки принципиальным является сохранение установки детектора-конвертора Д₁ в прямом потоке квантов, а детектора Д₂ - в конвертированном потоке квантов. Это связано с особенностями спектрально-углового состава прямого и конвертированного излучения, положением свинцовой защиты Д₂, различием до трех порядков чувствительностей детекторов к локальному потоку и т.д.

В рамках этого положения в систему детекторов при градуировке могут вноситься следующие изменения:

- изменение слоя конвертора-детектора Д₁;

- разворот конвертора-детектора Д₁;

- установка слоя из более тяжелого материала в Д₁;

- изменение толщины фильтра Д₂;

- изменение угла установки Д₂.

Эти изменения не затрагивает положение сцинтилляторов и их оптические контакты с фотоприемниками. Также снятие части фильтра в Д₂ или изменение угла его установки не изменяет работу этого детектора. В [5] используется конструкция первого детектора на основе алюминиевого корпуса в виде стакана с крышкой, в который помещается сцинтиллятор. В состав корпуса входит алюминиевый слой (дно стакана) толщиной 3 см, а стенки и крышка имеют толщину 1 мм. Изменения в системе детекторов при градуировке могут осуществляться как с неизменным алюминиевым корпусом, так и с уменьшением его слоя. В предлагаемых способах градуировки наличие алюминиевого слоя необязательно, но он сохраняется из соображений технологической простоты. В [5] в качестве рабочего угла установки второго детектора на основе компромисса разных факторов выбран угол 90°, толщина слоя в конверторе-детекторе составляет 3 см алюминия, а толщина фильтра в Д₂ составляет 3,5 см алюминия. Далее при проведении изменений, вносимых в систему детекторов для градуировки, угол установки в 90° и другие параметры системы будут рассматриваться как исходные. Изменения в СХ детекторов определяются на основе результатов расчетных исследований СХ методом Монте-Карло.

Замечание. Регистрация сигналов с детекторов системы возможна в схеме с раздельной регистрацией [4], а также в схеме суммирования импульсов на один измерительный канал [10]. Предлагаемые способы градуировки с выравниванием наклонов СХ детекторов являются общими для двух схем. Поэтому результаты применимы в обеих схемах.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ является более простым и позволяет работать с использованием схемы суммирования информации.

На фиг.1 приведена таблица с данными по конфигурациям градуировочных систем в случае использования для градуировки ТИ ЛИУ-30.

(Примечание. В обозначении алюминиевого слоя первого детектора цилиндрической формы, например, (6×3)Al число "6" означает диаметр, а "3" - толщину в сантиметрах, Al - это химический состав материала. Состав конвертора определен на основе структурной формулы каждой из составляющих конвертора, разделенных при записи состава конвертора знаком «тире», например (6×3)Al-(5,5×5)CH).

На фиг.2 приведены зависимости отношений зарядов Q₁/Q₂ с детекторов от средней энергии квантов ТИ ЛИУ-30 для рабочей и градуировочной геометрии системы.

зависимость рабочей измерительной системы;

зависимость градуировочной системы. Фильтр 5 мм, кольцо Fe толщиной 20 мм, угол установки Д₂ 90°.

На фиг.3 приведены градуировочные осциллограммы, полученные с ТИ ЛИУ-30. 11 - пики, связанные со вспышкой света в сцинтилляторе конвертора - отклик Д₁ (вспышки света передаются на детектор с задержкой по оптическому кабелю [10]), 12 - пики, связанные с рассеянными квантами - отклик Д₂ (рассеянные кванты передаются на детектор по воздуху).

На фиг.4 приведена таблица с экспериментальными результатами градуировки с помощью ТИ ЛИУ-30.

На фиг.5 приведены зависимости параметров откликов детектора от энергии квантов. Зависимости отношений ₁/ ₂ детекторов Д_п/Д_кф от энергии источника:

(10×3)Al-(10×5)CH, угол установки Д₂ 90°; (10×3)Al-(10×5)CH, угол установки Д₂ 45°, (5,5×5)CH-(6×3)Al, угол установки Д₂ 45°;

энергетическая зависимость отклика Д_п на излучение Аргумент-1000.

На фиг.6 приведен вариант редакции градуировки системы детекторов с помощью Аргумент-1000.

На схеме обозначены: 1 - детектор прямого потока Д_п (первый детектор - Д₁), в котором обозначены 2 - чувствительный элемент детектора 1, 3 - слой материала перед чувствительным элементом детектора 1, 4 - детектор Д_кф (Д₂), 5 - чувствительный элемент детектора 4, 6 - фильтр, 7 - свинцовая защита, 8 - бетонная стена, 9 - отверстие в бетонной стене (8, 9 образуют коллиматор), 10 - источник излучения.

На фиг.7 приведена таблица с данными по относительным отличиям коэффициентов чувствительностей K_d нескольких систем детекторов для двух спектров Аргумент-1000. Все размеры в сантиметрах.

Рассмотрим отдельно способы градуировки с помощью двух названных источников.

Первым предлагаемым способом градуировки относительных чувствительностей набора детекторов является способ градуировки с помощью жесткого тормозного излучения ЛИУ-30. ЛИУ-30 является одновременно источником, спектральные характеристики ТИ которого измеряется в рабочем состоянии системы. Ускоритель ЛИУ-30 имеет переменные режимы работы, при которых средняя энергия квантов ТИ, как правило, меняется в диапазоне ~3-6 МэВ. Спектр конкретного режима определяется недостаточно точно, с погрешностью около 20%. Поэтому градуировка с помощью ТИ ЛИУ-30 также требует оптимизации геометрии градуировки.

Для возможности сближения наклонов СХ детекторов используются следующие зависимости наклонов СХ от элементов редакции измерений:

- наклон СХ Д_п, Д_к, Д_кф коррелированно увеличивается с ростом Z слоя конвертора, причем наклон СХ Д_к, Д_кф увеличивается более резко;

- наклон СХ Д_к уменьшается с увеличением угла установки детектора, по крайней мере в интервале углов 45°-90°. Для СХ детектора Д_кф при толщине фильтра 3,5 см Al явной зависимости от угла нет (и само собой для Д_п );

- наклон Д_кф увеличивается с уменьшением толщины фильтра детектора, и наоборот.

В рабочей измерительной системе детекторов Д_п-Д_кф наклон СХ Д_п на рабочем участке больше наклона СХ Д_кф. Используя перечисленные зависимости наклонов СХ детекторов от различных элементов измерительной системы, можно сближать наклоны СХ двух детекторов на рабочих спектрах ТИ, соответствующих жестким квантам со средней энергии квантов по спектру ~3-6 МэВ. В данном способе, в основном, увеличивается наклон

В процессе подбора в ряде итерационных задач Монте-Карло нужных параметров системы определяются отношения зарядов с детекторов по следующей формуле для набора спектров ТИ:

где - (E) - спектр квантов.

В конечном итоге реализации способа определяются параметры системы, при которых отношение (2) является наиболее постоянным на широком диапазоне энергий квантов. Набор спектров ТИ рассчитывался по формулам [12. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. М.: Атомиздат, 1979 г.] и имеет средние энергии квантов в широком диапазоне.

Близкая к постоянной зависимость с погрешностью ~±5% имеет место, в частности, для следующих параметров системы:

- толщин фильтра детектора Д₂ в 1 см Al;

- угол установки второго детектора составляет 45°.

Возможные для градуировки конфигурации системы детекторов приведены в таблице фиг.1.

Другим вариантом выравнивания наклонов СХ является использование в конверторе слоя из железа. Данный слой железа имеет вид кольца, фиг.1, поз.2, угол установки второго детектора 90°. Соответствующая зависимость приведена на фиг.2, в сравнении с зависимостью для рабочей геометрии.

Из фиг.2 следует, что в градуировочной геометрии отношение зарядов Q₁/Q₂ является постоянным с погрешностью ~±3% для диапазона средних энергий квантов 3,5-7,5 МэВ. Следовательно, излучение ЛИУ-30 в номинальном режиме можно использовать для градуировки детекторов.

Примерно аналогичные результаты с точки зрения постоянства зависимости дает применение диска из железа радиусом 3 см толщиной 20-25 мм.

Формирование импульсов с детекторов при градуировке с помощью ТИ ЛИУ-30 происходит в линейном режиме детекторов, близком к рабочему, при токах в единицы ампер. При этом для позиций 2, 3 фиг.1 не требуется дополнительный поворот детекторов.

Пример осциллограмм с градуировочными импульсами системы, соответствующей позиции 2 фиг.1, полученными по схеме суммирования [10], приведен на фиг.3. На этом рисунке совмещены 4 градуировочные осциллограммы. Максимальный ток в первом пике составил около 2 A.

Непосредственное определение коэффициентов относительной чувствительности детекторов проводится следующим способом. Проводится сквозной расчет методом Монте-Карло в градуировочной геометрии поглощенных энергий и удельных поглощенных энергий в сцинтилляторах детекторов _i, i=1, 2 , находящихся на своих местах, от градуировочного источника.

Заряды с детекторов связаны с флюенсами квантов и удельными поглощенными энергиями следующими соотношениями:

где Q_i - заряд с i-того детектора;

_i - чувствительность детектора;

- флюенс квантов;

K_di - коэффициент связи тока с детектора с удельной поглощенной энергией или просто коэффициент детектора;

- удельная энергия, поглощенная в сцинтилляторе, отнесенная к единичному флюенсу квантов;

- удельная энергия, поглощенная в сцинтилляторе детектора, МэВ/г.

Чувствительность детектора на основе формул (3) определяется как:

Коэффициент детектора целесообразно использовать при работе с расчетными удельными поглощенными энергиями. Коэффициент K_di равен отношению заряда с детектора Q_i к удельной поглощенной энергии _i:

Коэффициенты K_di разные у фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, которые могут использоваться в детекторах. При проведении градуировки данной системы в связи с выравниванием СХ меняются свойства детекторов, относящиеся к прохождению излучения до чувствительных элементов детекторов. При этом меняются поглощенные энергии _i в чувствительных элементах детекторов и меняются значения чувствительностей _i. Однако, так как не затрагиваются оптические контакты детекторов, то не меняются отношения и не меняются значения коэффициентов детекторов K _di.

Для определения спектрометрических характеристик квантов ТИ абсолютные чувствительности не нужны, а достаточно определить коэффициент относительной чувствительности детекторов:

Этот коэффициент определяется по результатам градуировки как:

где Q₂, Q₁ - измеренные заряды с детекторов,

₁, ₂ - расчетные удельные поглощенные энергии в сцинтилляторах от градуировочного источника.

Так как отношение ₁/ ₂ не зависит от значения выхода излучения с источника, то и коэффициент K_d не зависит от выхода излучения с источника.

После проведения градуировки и определения коэффициента относительной чувствительности детекторов K_d СХ второго детектора преобразуется как

где '₂(E) - зависимость чувствительности второго детектора, выраженная в единицах удельной поглощенной энергии от источника в рабочей геометрии.

Аналогично может определяться относительный коэффициент третьего детектора относительно первого и т.д. После этого чувствительности ₁(E), ₂(E) и, аналогично, ₃(E) и т.д. используются для спектрометрических измерений.

Результаты градуировки и полученное значение коэффициента K_d (7) приведено в таблице фиг.4. Чувствительности ₂(E) и, аналогично, ₃(E) и т.д. преобразуются по формуле (8) и используются для спектрометрических измерений.

Преимуществом способа градуировки с помощью ТИ ЛИУ-30 является высокий уровень токов с детекторов, на уровне 2 A, соответствующий рабочему и обеспечивающий наибольшую точность градуировки.

Вторым предлагаемым способом градуировки относительных чувствительностей набора детекторов является способ градуировки с помощью мягкого тормозного излучения малогабаритного импульсного ускорителя электронов Аргумент-1000 [11]. Малогабаритный импульсный ускоритель электронов Аргумент-1000, разработанный во ВНИИЭФ, является самым мощным источником ТИ переносного портативного типа. Для проведения градуировки Аргумент-1000 устанавливается перед коллиматором на его оси. После проведения градуировки источник Аргумент-1000 убирается с оси коллиматора. Ускоритель Аргумент-1000 является источником ТИ мягкого спектра со средней энергией 0,25 МэВ. Спектр ТИ Аргумент-1000 является постоянным в разных срабатываниях, но точность его определения оценивается в 20% и недостаточна для проведения градуировки. Ситуацию можно улучшить оптимизацией геометрии при градуировке. При использовании Аргумент-1000 в качестве градуировочного источника работают начальные участки СХ детекторов. Рассмотрим возможные вариации начальных участков СХ с точки зрения минимизации влияния погрешности спектра ТИ ускорителя Аргумент-1000 на результаты градуировки детекторов.

Для сближения наклонов начальных участков СХ детекторов используются следующие зависимости наклонов начальных участков СХ от элементов редакции измерений:

- наклон СХ Д_п уменьшается с увеличением толщины слоя конвертора. Это связано с работой слоя как фильтра квантов;

- наклон СХ Д_кф увеличивается с увеличением угла установки детектора.

Выравнивание СХ детекторов осуществляется на основе анализа отношения ₁/ ₂ (1) для разных конфигураций системы детекторов. Зависимости этого отношения от энергии приведены на фиг.5 (минимумы нормированы на единицу). В зависимостях отношений ₁/ ₂ наблюдается минимум, положение и ширину которого можно сдвигать определенными приемами. Этот минимум можно совмещать с максимумом спектрального отклика детекторов. При этом обеспечивается максимальная независимость относительных результатов градуировки от неточности знания спектров.

Анализ расчетных данных показывает, что, во-первых, желательно увеличить наклон СХ детектора Д_п с помощью уменьшения толщины алюминиевого слоя. Это можно сделать, не меняя конструкции детектора, с помощью разворота детектора-конвертора Д_п на угол 180° относительно вертикальной оси. После этого детектор Д_п обращен сцинтиллятором в сторону градуировочного источника (плюс крышкой корпуса толщиной 1 мм алюминия) и остается в пятне отверстия коллиматора на его оси.

Во-вторых, для выравнивания наклонов СХ двух детекторов следует уменьшить наклон СХ детектора Д_кф на градуировочном участке путем уменьшения угла рассеяния, например, до 60° или 45°. Положения ускорителя Аргумент-1000 и детектора при градуировке приведены на фиг.6. Детектор Д_п при этом развернут относительно вертикальной оси на 180°, а угол установки детектора Д_кф с защитой и алюминиевым фильтром составляет 45°.

Из фиг.5 видно, что кривые отношения чувствительностей ₁/ ₂ после проведения изменений - разворота детектора Д_п на 180° и детектора Д₂ до 45° - становятся более постоянными. Минимум отношения чувствительностей ₁/ ₂ смещается в область больших энергий. На этой же фиг.5 приведена зависимость дифференциального по энергии отклика первого детектора:

где - (E) - спектр квантов.

Видно, что максимум энергетической зависимости отклика приходится на энергии ~0,3-0,5 МэВ и соответствует постоянному минимальному участку отношения чувствительностей.

Для моделирования откликов детекторов использовались два спектра Аргумент-1000, определенные двумя методами и имеющие некоторые отличия. Погрешность определения спектров данными методами составляет около 20%. В таблице фиг.7 приведены значения относительных отличий коэффициентов чувствительностей детекторов K_d для двух спектров и разных конфигураций градуировки.

Из таблицы следует, что для поз.3 коэффициенты K_d совпадают для двух спектров в пределах 1%, то есть практически не зависят от спектра. Соответствующую конфигурацию следует использовать при проведения градуировки относительной чувствительности детекторов с помощью ускорителя Аргумент-1000.

При градуировке с помощью Аргумент-1000 амплитуды токов с детекторов оцениваются в единицы мА. Преимуществом способа с использованием дополнительного источника излучения Аргумент-1000 является возможность проведения при необходимости градуировки без затрат рабочих импульсов ЛИУ-30.

Способы относительной градуировки с помощью источника ТИ Аргумент-1000 или источника ТИ ЛИУ-30 являются способами in situ, при этом система детекторов находится на своих рабочих местах. Для регистрации сигналов с детекторов используются рабочие источники питания и регистрирующая аппаратура.