СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ИМПУЛЬСНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к диагностике излучения различных импульсных источников гамма-излучения.

Широко известны разнообразные способы измерения энергетических спектров излучения стационарных гамма-источников с использованием регистраторов, работающих в режиме одночастичной регистрации: сцинтилляционных детекторов на основе органических и неорганических материалов, газовых ионизационных детекторов и магнитных спектрометров. (Л.С.Горн, Б.И.Хазанов Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1989).

Однако эти методы не применимы для измерения энергетических спектров излучения импульсных гамма-источников.

К известным методам измерения энергетического спектра импульсного гамма-излучения относится метод поглощающих фильтров (МПФ) с установленными за ними регистраторами, совместно обеспечивающими существенно различные спектральные зависимости чувствительности для каждого из М (по числу фильтров) каналов регистрации соответствующей измерительной установки.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения с использованием поглощающих фильтров, описанный в статье Ю.И. Чернухина, В.А.Терехина и С.И.Стрельцова «Гетерогенный сцинтилляционный детектор гамма-излучения» (Атомная энергия, т.101, №2, с.130-135, 2006), включающий прохождение гамма-излучения через поглощающие фильтры, регистрацию его, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра гамма-излучения.

Однако известный способ позволяет измерять только интегральные по времени спектры импульсного гамма-излучения, что связано с применением интегрирующих регистраторов: калориметров или дозиметров.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по получению достоверной информации о динамике изменения спектров гамма-излучения в течение длительности импульса источника.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в получении исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в различные моменты времени за счет регистрации сцинтилляций отдельными для каждого слоя гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД) фотоприемниками, работающими в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ.

Это достигается тем, что в способе измерения энергетических спектров импульсного гамма-излучения, включающем прохождение гамма-излучения через поглощающие фильтры, регистрацию его, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра гамма-излучения, согласно изобретению регистрацию гамма-излучения осуществляют с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора, в котором излучение регистрируется отдельными для каждого слоя фотоприемниками в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ с высоким временным разрешением с получением исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в момент времени t<τ.

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

Новые признаки способа (осуществление регистрации гамма-излучения с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора, в котором излучение регистрируется отдельными для каждого слоя фотоприемниками в токовом режиме в течение длительности гамма-импульса τ с высоким временным разрешением с получением исходной информации для математического восстановления спектра гамма-излучения в момент времени t<τ) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:

на фиг.1 - схема расчетной модели гетерогенного сцинтилляционного детектора ГСД-ФТ1, размеры в см;

на фиг.2 - аппаратурные функции G_i(E), i=1, 2, …9 модели ГСД-ФТ1;

на фиг.3 - исходный и восстановленный спектры потока квантов φ_k(Е) в числовом эксперименте при трех значениях времен t_k и погрешности измерений ε=1%.

Для иллюстрации способа была выбрана модель гетерогенного сцинтилляционного детектора ГСД-ФТ1 (см. фиг.1), содержащая экран Э (А1, ρ=2,7 г/см³) толщиной Δ_э=0,05 см, представляющая собой многослойную структуру 1=1, 2, …М с размером входного окна 12×10 см², состоящую из М=9 конвертирующих свинцовых слоев K_i (Pb, ρ=11,3 г/см³) переменной толщины Δ_Кi значения которой приведены в таблице 1, в которых поток гамма-квантов φ(E,t) трансформируется в поток быстрых заряженных частиц (электронов и позитронов), и примыкающих к ним тонких сенсорных слоев C_i из сцинтиллирующей пластмассы (СН_0,99, ρ=1,05 г/см³) толщиной Δ_С=0,5 см; в которых энергия заряженных частиц преобразуется в сцинтилляции, регистрируемые светочувствительными приборами. При такой конфигурации ГСД фильтром гамма-излучения для i-го сенсорного слоя служит совокупность всех других слоев, стоящих перед ним.

Сенсорные слои в этом детекторе могут быть выполнены в виде пластин из полистиролового сцинтиллятора (ПС) со спектросмещающими волокнами (WLS) для вывода света к фотоприемникам или набраны из сцинтиллирующего полистиролового оптоволокна фирмы BICRON. В качестве фотоприемников могут использоваться любые «быстрые» фотопреобразователи: фотоэлементы (ФЭЛ), фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и тому подобные приборы. Связь регистрируемого ими тока с потоком гамма-квантов, падающих на входное окно ГСД, определяется уравнением

где J_ik≡J_i(t_k)(А) - измеренное значение тока регистратора i-го сенсорного слоя ГСД в момент времени t_k;

φ_k(E)=φ(E,t_k) (кв/(см²·МэВ·с)) - плотность потока гамма-квантов с энергией Е [МэВ], падающих на входное окно ГСД с площадью П в момент времени t_k;

E_min, E_max - минимальное и максимальное значения энергий гамма-квантов в спектре регистрируемого излучения;

G_i(E) (Кл/кв) - эффективность регистрации гамма-квантов с энергией Е в i-ом сенсорном слое ГСД (аппаратурная функция).

При решении системы уравнений (1) относительно спектральных функций φ_k(Е) аппаратурные функции G_i(E) считаются известными. В первом приближении они могут быть найдены по соотношению

Здесь: - g_i, (E) (МэВ/кв) - поглощенная энергия в i-ом сенсорном слое, нормированная на один квант с энергией Е, падающий на входное окно детектора; для модели ГСД-ФТ1 она определялась методом Монте-Карло по программе MCNP (1σ<1%);

- P_i (фот/МэВ) - сцинтилляционная эффективность (световыход) i-го сенсорного слоя;

- Э_i(%) - эффективность передачи света к i-му фоторегистратору;

- Y_i (ф.э./фот) - квантовая эффективность фотокатода i-го регистратора (ФЭЛ, ФЭУ);

- К_i - коэффициент умножения i-го фоторегистратора (~1 -для ФЭЛ и ~10⁶-для ФЭУ);

- е₀=1,6·10^-19 Кл/эл - заряд электрона.

В общем случае параметры Р_i, Э_i, Y_i, K_i могут отличаться для всех каналов регистрации ГСД (i=1, 2,…М), их характерные значения:

Р=10⁴ фот/МэВ, Э=2%, Y≈0,1 ф.э/фот, К=1 (для ФЭЛ), К=10⁶ (для ФЭУ). Полученные по этим данным аппаратурные функции G_i(E) для модели ГСД-ФТ1 в диапазоне Е=(0,1÷5) МэВ приведены на фиг.2.

Восстановление искомого спектра гамма-квантов осуществляется путем решения системы уравнений (1) относительно спектральных функций φ_k(Е), когда аппаратурные функции G_i(E) и токи регистратора сенсорных слоев ГСД J_ik заданы, относится к классу некорректно поставленных задач. Для однозначного выбора решения наряду с положительностью искомой функции φ_k(Е) используется ее представление в виде В-сплайна

где B_kj(E) - базисные сплайны с конечными носителями минимальной длины (В-сплайны);

u_kj≥0 - искомые параметры задачи.

При подстановке (3) в (1) для заданного значения t_k задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов u_kj.

Проверка предложенного способа проводилась в числовом эксперименте на примере импульса тормозного излучения (ТИ) электронов ускорителя прямого действия ИГУР-3 (В.С.Диянков, В.П.Ковалев, А.И.Кормилицын и др. «Обзор экспериментальных установок ВНИИТФ для радиационных исследований» ФММ, т.81, №2, с.119-123, 1996).

Проведение «числового эксперимента» предполагает решение прямой и обратной задач согласно (1). В прямой задаче определяются зависимости J_i(t) по предварительно найденным спектральным функциям φ(E,t). Обратная задача заключается в решении системы интегральных уравнений (1) относительно функции φ(E,t) по результатам решения прямой задачи J_i(t) с учетом характерных ошибок в определении этих величин в реальных экспериментах

Задача решалась для трех значений времени t_k, при k=1,2,3:

t₁=2.1 нс: t₂=25,9 нс, t₃=65,5 нс.

Отсчет времени производили относительно максимума импульса напряжения.

Полученные результаты представлены на фиг.3. Из приведенных на фиг.3 данных видно, что рассматриваемая методика на основе ГСД позволит определить энерго-временные распределения импульсного гамма-излучения установок типа ИГУР-3 с точностью 10÷20% (2σ); для этого точность измерений амплитудных значений токов детектора должна быть не хуже ~1% (2σ).

Таким образом, изложенные сведения доказывают выполнимость при реализации заявленного способа следующей совокупности условий:

- предложенный способ, предназначенный для измерений спектров излучения мощных импульсных гамма-установок обеспечивает: возможность достижения рекордно-высокой чувствительности детектора и, как следствие, высокой устойчивости к внешним помехам; возможность изучения изменяемых в течение импульса спектров гамма-излучения; высокое временное разрешение (Δτ~ 5 нс).

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа измерения энергетических спектров импульсного излучения и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".