СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области регистрации ионизирующего излучения и может быть использовано в области исследования пространственно-временного или интегрально-временного распределения рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы в мягкой области спектра излучения с энергией квантов менее 1 кэВ в условиях удаленности регистрирующей аппаратуры от объекта регистрации и наличии в спектре паразитного излучения видимого и инфракрасного диапазонов длин волн.

Известен способ двумерной регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения в условиях наличия в спектре паразитного излучения видимого и/или инфракрасного диапазонов длин волн (заявка US 20090266992, «Radiation detection apparatus», опубл. 29.10.2009).

Известный способ заключается в пропускании рентгеновского излучения источника через устройство, строящее двумерное изображение объекта в плоскости регистрации, в которой последовательно, один за другим, устанавлены металлический фильтр, поглощающий излучение в видимом, инфракрасном и частично в рентгеновском диапазонах, сцинтиллятор. преобразующий рентгеновскую часть излучения в диапазон излучения, чувствительный для регистратора, и матрица из светопередающих элементов, передающих изображение объекта на регистратор.

К недостатку известного способа относится то, что:

- использование фильтров искажает спектр рентгеновского излучения;

- применение фильтров, напыляемых на поверхность сцинтиллятора. изменяет физические свойства последнего, что может привести к значительному и неконтролируемому искажению световыхода сцинтиллятора и повлиять на достоверность регистрируемого сигнала.

Указанные недостатки обусловлены тем, что фильтры для регистрации мягкого рентгеновского излучения представляют собой слои металла толщиной менее 4 мкм. Фильтры искажают спектр рентгеновского излучения, прошедшего сквозь них. поскольку обладают сложной, нелинейной полосой пропускания. Столь тонкие слои имеют микродефекты в своей структуре, которые позволяют пройти сквозь фильтр части излучения в видимом и инфракрасном диапазонах. Фильтры, практически не имеющие таких дефектов, получают при напылении металла непосредственно на поверхность сцинтиллятора. однако при такой технологии ухудшается световыход сцинтиллятора и ускоряется процесс его деградации.

Известен способ регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения в условиях наличия в спектре паразитного излучения видимого и инфракрасного диапазонов длин волн (J.L.Yang, Z.H.Li, R.K.Xu, L.B.Li, J.M.Ning, C.Guo. F.J.Song, Z.P.Xu and G.X.Xia, «Time-Resolved I-D X-ray Imaging Technique for Z-Pinch Plasma Diagnosis». Труды 6h International Conference on Dense Z-Pinchcs. стр. 319-322).

Известный способ заключается в том, что излучение высокотемпературной плазмы, излучающей в рентгеновском и паразитном диапазонах длин волн, пропускают через щелевую диафрагму, строящую одномерное изображение в плоскости регистрации, которой является торцевая поверхность линейки световодов» оснащенная пленочным сцинтиллятором, преобразующим рентгеновскую часть излучения в диапазон излучения, чувствительный для регистратора, установленная, под критическим углом в 45° к оси регистрации, заведомо большим угла входной апертуры световода, а затем - на хронографический регистратор. Установка линейки световодов под критическим углом позволяет исключить из способа регистрации использование металлического фильтра.

Недостатками известного способа являются:

- одномерность получаемого изображения объекта;

- ограниченный динамический диапазон регистрации распределения интенсивности свечения сцинтиллятора:

- ограничение спектрального диапазона регистрации.

Проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа двумерной пространственно-временной регистрации распределения интенсивности ионизирующего излучения в условиях удаленности регистрирующей аппаратуры от объекта регистрации, а также расширение динамического диапазона.

Технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в повышении информативности получаемых результатов за счет расширения динамического диапазона регистрации и перехода к регистрации двумерного изображения исследуемого объекта.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в заявляемом способе регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения (МРИ) при наличии в спектре паразитного видимого и инфракрасного излучения, заключающемся в том. что излучение в указанном диапазоне длин волн пропускают через устройство, строящее изображение в плоскости регистрации, которой является торцевая поверхность строящее изображение в плоскости регистрации, которой является торцевая поверхность линейки световодов, оснащенная пленочным сцинтиллятором, преобразующим рентгеновскую часть излучения в диапазон излучения, чувствительный для регистратора, и установленная под углом к оси регистрации, большим числовой апертуры световодов и достаточным для ослабления паразитного излучения до пренебрежимо малого уровня, а затем излучение сцинтиллятора передают на регистратор, новым является то, что в качестве устройства, строящего изображение, используют камеру-обскуру, кроме этого дополняют линейку световодов еще несколькими линейками световодов, торцевая поверхность каждой из которых оснащена пленочным сцинтиллятором и установлена под своим углом, большим числовой апертуры световодов и обеспечивающим свой поток рентгеновского излучения на единицу поверхности сцинтиллятора и вследствие этого свою интенсивность свечения, при этом интенсивность свечения сцинтилляторов, по меньшей мере, двух линеек лежит в динамическом диапазоне регистратора.

Дополнительно при необходимости, изменяют диаметр отверстия камеры-обскуры. Кроме того, тип сцинтиллятора каждой линейки выбирают в соответствии со спектральным диапазоном регистратора.

Предлагаемый способ двумерной регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения в условиях наличия в спектре излучения видимого или инфракрасного диапазонов длин волн поясняется следующим образом.

Невозможность предварительно точно определить значение тока запитки источника МРИ приводит к достаточно широкому диапазону возможных значений уровня выходного потока МРИ, падающего на сцинтиллятор и в дальнейшем преобразованного в оптический диапазон спектра и переданного на регистратор. Отсюда возникает риск потери полезного сигнала при его сильном ослаблении до уровня, лежащего вне области чувствительности регистратора, либо засветки регистратора при недостаточном ослаблении полезного сигнала, что также ведет к потере экспериментальных данных. Ранжируя угол поворота каждой линейки световодов, мы имеем возможность регулировать поток МРИ, падающего на единицу поверхности сцинтиллятора, а значит, и регулировать его световыход. Таким образом, мы значительно уменьшаем риск потери полезного сигнала и обеспечиваем его регистрацию хотя бы е части задействованных линеек световодов.

Для перехода от одномерной регистрации изображения к двумерной вместо щелевой диафрагмы, используемой в аналоге, предлагается использовать камеру-обскуру. Данное устройство дает возможность передавать двумерное изображение излучающего объекта с регулируемым разрешением, что позволяет получать информацию об изменении интенсивности свечения отдельных областей всего объекта исследования, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. В случае использования щелевой диафрагмы, по одной из осей, параллельной щели, мы получаем не пространственно-временную регистрацию, отображающую изменение интенсивности свечения отдельных участков излучающего объекта в зависимости от времени, а интегрально-временную регистрацию, т.е. регистрацию усредненного по пространству свечения всего объекта вдоль щели о г времени. Варьируя диаметр отверстия камеры-обскуры, расстояние от объекта регистрации до камеры и расстояние от камеры до плоскости сцинтиллятора мы можем переходить от пространственно-временной к интегральной регистрации, в широком диапазоне регулировать разрешение и масштаб получаемого изображения, а также мощность мягкого рентгеновского излучения, попадающего на единицу поверхности сцинтиллятора.

Для расширения диапазона регистрации в зависимости от интенсивности свечения сцинтиллятора, а также для реализации двумерной регистрации предлагается использовать несколько линеек световодов, передающих изображение на регистрирующую аппаратуру, кроме того каждая линейка может быть оснащена своим типом сцинтиллятора, который выбирают в соответствии со спектральным диапазоном регистратора.

Изменение угла установки линейки световодов к оси регистрации влияет на плотность потока падающего на сцинтиллятор излучения и, следовательно, на его световыход. что связано с изменением площади сцинтиллятора. поглощающей МРИ и. как следствие, изменяет интенсивность свечения отдельных участков в объеме сцинтиллятора. Кроме того, установка линеек под разными углами к оси регистрации позволяет регулировать коэффициент ослабления излучения от объекта исследования в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, ослабляя его до необходимого уровня. Поскольку это излучение не является объектом регистрации требуется ею ослабление до уровня, когда его интенсивность будет несущественной по сравнению с интенсивностью свечения сцинтиллятора. В зависимости от условий регистрации коэффициент ослабления может варьировать в диапазоне от 0 до 10⁵.

Сущность заявляемого способа поясняется рисунками.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа, где:

1 - источник МРИ:

2 - камера-обскура;

3 - линейка световодов;

4 - оптический кабель:

5 - регистратор:

6 - сцинтиллятор.

На фиг. 2 представлен фрагмент диагностического узла, позволяющий монтировать две линейки световодов под разными углами к оси канала.

На фиг. 3 представлена спектральная восприимчивость фотоприемника HFBR.

На фиг. 4. представлено распределение свечения сцинтиллятора по диапазону длин

волн.

На фиг. 5 представлено изображение свечения одной линейки световодов, зарегистрированное с экрана хронографического регистратора СФЭР-6 ПЗС-матрицей. Полная длительность развертки СФЭР-6 составила 600 нс.

На фиг. 6 представлено сравнение результата регистрации изменения во времени светимости сцинтиллятора, переданной одним из световодов на регистратор СФЭР и результата регистрации той же светимости с помощью фотоприемника HFBR.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого способа и достижения технического результата была проведена проверка работоспособности указанного способа регистрации на лабораторной установке в условиях воздействия на световод и сцинтиллятор смешанного излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов). Энергия МРИ. генерируемого высокотемпературной плазмой установки. составляла ~5 кДж, а длительность импульса на полувысоте ~50 нс. Легочником МРИ являлась высокотемпературная плазма с концентрацией электронов 10¹⁴-10²¹.

Общий принцип реализации способа регистрации представлен на фиг. 1. Изображение источника 1 плазмы, излучающей в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, строилось с помощью камеры-обскуры 2 на пленочном пластмассовом сцинтилляторе 6, который конвертирует рентгеновскую часть излучения в оптический диапазон спектра. Оптическое свечение сцинтиллятора воспринимается при помощи линейки световодов 3. торцевая поверхность которой находится в непосредственном контакте со сцинтиллятором и установлена под некоторым критическим утлом относительно направления наблюдения (углом больше критическою, для данного типа волокна), обеспечивающим эффективное затухание паразитного излучения. Угол поворота торцевой поверхности линейки выбирается из условий требуемою коэффициента ослабления полезного сигнала, при этом является заведомо большим числовой апертуры выбранного типа световодов. Выходящее из световодов излучение дискретных участков изображения плазмы передается на входную щель хронографического регистратора 5. Масштаб регистрируемого изображения регулируется соотношением расстояний от источника плазмы до камеры-обскуры и от камеры-обскуры до плоскости построения изображения. Изменением диаметра отверстия камеры-обскуры добиваются требуемого пространственного разрешения описанного способа регистрации и уровня мощности падающего на сцинтиллятор потока МРИ.

На фиг. 2 представлен фрагмент диагностического узла, позволяющего монтировать две линейки световодов. В нашем эксперименте каждая линейка состояла из 18 многомодовых световодов с диаметром сердцевины 62,5 мкм и диаметром оболочки 125 мкм оптического кабеля «Сарансккабель-оптика» ОКГ-0.7 (62,5)-32. Световоды имели численную апертуру 0.275 (что соответствовало раствору входного конуса 31°54'). Торцевая поверхность световодов расположена под углами 35° и 40° к оси регистрации, обеспечивая одновременно регистрацию рентгеновского излучения и эффективное затухание паразитного излучения плазмы. Диаметр камеры-обскуры составил 800 мкм. В данном эксперименте регистрация пространственно-временной картины свечения МРИ плазмы проводилась в масштабе 1:1.

Регистрация сигналов со световодов велась с помощью хронографического регистратора СФЭР-6 с ПЗС-матрицей. Параллельно сигнал с одного из световодов регистрировался с помощью фотоприемника типа HFBR, подключенного к осциллографу. Спектральная восприимчивость фотоприемника представлена на фиг. 3. Применялся пленочный сцинтиллятор EJ208 с временем высвечивания 1 не, длиной волны максимума излучения 435 нм (Фиг. 4). Сигналы совпадают по временному диапазону, форме импульса и его длительности, что подтверждает работоспособность заявляемого способа регистрации.