Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано в научной измерительной аппаратуре, а также при разработке средств оперативного обнаружения и идентификации контрабандных материалов при таможенном досмотре, патрулировании государственных границ.

В настоящее время для экспресс-анализа контрабандных материалов развиваются методы их активного облучения с целью увеличения скорости деления и последующей регистрации сигналов откликов либо мгновенной, либо запаздывающей реакции веществ на проникающее облучение. При этом выявление сигнатурных признаков контрабандного материала базируется на измерении амплитудно-временных зависимостей между мгновенной и запаздывающей реакцией вещества на облучение. Для идентификации атомных элементов используют корреляционный анализ амплитудно-временных сигналов. Преобразование проникающей радиации в электрический сигнал осуществляют посредством детекторов-дискриминаторов.

Известно "Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения" - Патент RU №2264674, H01J, 47/02, G01T, 1/185, 2003 г. - аналог. Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, в качестве катода использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон, при давлении 40-50 атм и соответственно с плотностью 0.3-0.6 г/см³ с добавлением водорода в количестве 0.2-0.3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования σ≈(3÷5)%.

Сигнал на выходе устройства-аналога пропорционален суммарной мощности потока гамма-нейтронного излучения, что не позволяет, в последующих трактах, разделить этот поток на составляющие по энергетическому спектру отдельных гамма-квантов.

Известны промышленные разработки детекторов-измерителей спектров уровней мощности гамма-излучения: блоки детектирования БДРС, БДЕГ-19П, гамма-детектор-сцинтиллятор CsJ(TI) - фотодиод ФД1001 (http://www.detector.org.ua/detectors.html) - аналоги.

Недостатками аналогов являются:

- невозможность однозначного измерения формы энергетического спектра сигнала отклика;

- малое эффективное сечение (размер апертуры) датчика-преобразователя и, как следствие, - недостаточная чувствительность измерителей.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является "Сцинтилляционный детектор с оптоволоконным съемом информации" разработки ГНЦ ИФВЭ (г.Протвино и ФИАН РАН), серийно производимый ГНЦ ИФВЭ [см. материалы 30-й ВККЛ, Санкт-Петербург, 2008 г.] (http://theory.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/2008_StPetersberg/RCRC2008/PROC/E AS/EAS_20.pdf). Он представляет собой двухслойную сборку сцинтилляционных пластин общей площадью 1 м². Каждый слой собран из пластин 20×20×0.5 см³. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон - файберов. В каждой пластине имеется 4 канавки с шагом 3.6 см глубиной 2.2 мм на расстоянии 4.6 см от краев. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен вплотную к фотокатоду фотоэлектронного умножителя.

Недостатком ближайшего аналога является невозможность выделить энергетический спектр исходного сигнала на выходе счетчика после усиления общего светового потока фотоэлектронным умножителем.

Задача, решаемая заявляемым измерителем, состоит в достоверной регистрации энергетического спектра исходного сигнала отклика атомного элемента на зондирующее облучение путем последовательного пропорционального преобразования потока радиации в ультрафиолетовый спектр, а ультрафиолетового спектра в световой поток видимого диапазона с последующим измерением амплитуды спектральных составляющих пропусканием светового потока через линейно-перестраиваемый акустооптический фильтр с регулируемой длительностью импульса пилообразного напряжения развертки.

Техническое решение задачи осуществляется тем, что измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, содержащий сборку сцинтилляционных пластин, преобразующих поток радиации отклика в спектр ультрафиолетового излучения, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, спектросмещающие ультрафиолетовое излучение в спектр видимого диапазона, торец жгута файберов, преобразователь светового потока в электрический сигнал, дополнительно к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая диаметр светового пучка для ввода его в акустооптический фильтр, генератор накачки фильтра с подключенными к нему реактивным элементом и генератором пилообразного напряжения для линейного изменения частоты настройки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов генератора пилообразного напряжения путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - последовательность спектров сигналов: 1) энергетический спектр излучения отклика, 2) спектр ультрафиолетового преобразования энергетического спектра сцинтилляционными пластинами, 3) спектр видимого диапазона на выходе файберов;

фиг.3 - динамика перестройки акустооптического фильтра генератором накачки;

фиг.4 - реализации регистрируемых спектров атомных элементов.

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, фиг.1, содержит сборку сцинтилляционных пластин 1, волокна-файберы 2, уложенные в профильные канавки пластин, собранные в жгут 3 отводы оптического волокна от файберов, светособирающая линза 4 для ввода светового потока в акустооптический фильтр 5, генератор накачки 6 для перестройки частоты фильтра, реактивный элемент 7 генератора накачки 6, генератор пилообразного напряжения 8 для линейной девиации частоты генератора накачки, лавинный фотодиод 9, аналого-цифровой преобразователь 10, буферное запоминающее устройство 11, персональный компьютер 12 в составе элементов: процессор 13, оперативное запоминающее устройство 14, винчестер 15, дисплей 16, принтер 17, клавиатура 18. Синхронизация работы элементов измерителя осуществляется телекоммуникационной программой, записанной в винчестер 15. Телекоммуникационная программа реализует функции: запуск генератора зондирующего пучка с регулируемой длительностью и скважностью пачки зондирующих импульсов, регулирование длительности импульса пилообразного напряжения в зависимости от длительности пачки зондирующих импульсов, пересылку оцифрованных измерений из АЦП 10 и буферного ЗУ 11 в ОЗУ 14 для обработки зарегистрированных спектров сигналов на компьютере 12.

Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Атомные элементы отличаются энергией связи ядра, высвобождаемой при ядерных реакциях. Диапазон энергии излучаемых гамма-квантов и частиц занимает интервал от 1.1 МэВ до 8.8 МэВ. Энергия связи ядер атомных элементов и их изотопов иллюстрируется таблицей 1.

Таблица 1
Ядро	Энергия связи Есв, МэВ	Отношение Есв к массовому числу, МэВ
1H2	2.2	1.1
1H3	8.5	2.83
2Не3	7.7	2.57
2Не4	28.3	7.075
8Li6	32	5.33
8Li7	39.2	5.6
4Ве9	58.2	6.47
4Ве11	76.2	6.93
7N14	104.7	7.48
6C12	92.2	7.68
8O16	127.6	7.975
13Al27	225.0	8.33
26Fe56	492.2	8.79
86Ru222	1708.2	7.69
92U235	1783.8	7.59
94Pu239	1806.9	7.56

Селектируемыми признаками при идентификации атомных элементов могут быть:

- энергетический спектр частиц и квантов при распаде ядра;

- соотношение между спектрами мгновенного и запаздывающего излучения;

- форма сигнала регистрируемого спектра, т.е. амплитудные соотношения между спектральными линиями.

В заявленном измерителе для измерения формы спектра сигналов откликов атомных элементов используют последовательное пропорциональное спектросмещение (фиг.2):

- энергетического спектра сигнала отклика в спектр ультрафиолетового излучения посредством сборки (1) сцинтилляционных пластин из твердого раствора антрацена (С₁₄Н₁₀) в полистироле, дающих максимальный световой выход. Поскольку интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, то данная сборка используется в качестве первичного спектрометра;

- спектра ультрафиолетового излучения в спектр видимого диапазона посредством оптического волокна-файбера 2.

Поверхность файберов покрыта тонким слоем вещества люмогена, преобразующего УФИ в видимый диапазон. Типы файберов (конверторов), преобразующих УФИ (13-350 нм) в видимый диапазон (405-610 нм) (см. http://www.metrolux.de/contenido/cms/uv-and-ir-converter/)

Спектр видимого диапазона посредством светособирающей линзы 4 преобразуют в световой пучок диаметром порядка 5 мм для ввода в перестраиваемый акустооптический фильтр 5 типа (промышленные разработки) СВ FOTF (Aurora), LAOTF (Bellcore) с полосой пропускания на уровне 3 дБ (1…1,6 нм) [см., например, Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения. - М: Компания Сайрус Системс, 1999, с.180-182].

Акустооптический фильтр представляет собой кристалл (пьезоэлектрик), в котором под воздействием СВЧ-генератора накачки в диапазоне 60-70 МГц наблюдается анизотропная дифракция Брегга, т.е. формируется дифракционная решетка с изменяющимся показателем преломления, благодаря чему достигается перестраиваемая фильтрация.

Линейную девиацию частоты СВЧ-генераторов метрового диапазона волн (60…70 МГц) осуществляют подключением реактивного элемента (типа реактивной лампы) по схеме [см. "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1968. - с.50, рис.12-78, Реактивная лампа]. Девиация частоты достигается подачей дополнительного смещения на сетку в виде пилообразного напряжения развертки.

Генератор пилообразного напряжения развертки с возможностью подачи на его вход синхронизирующих импульсов [см. там же "Справочник по радиоэлектронике", с.238, рис.15-52].

Динамика перестройки акустооптического фильтра накачкой его СВЧ-генератором с девиацией частоты пилообразными импульсами развертки иллюстрируется диаграммами фиг.3.

Другие элементы устройства выполнены на серийных промышленных разработках: лавинный фотодиод типа APD (чувствительность ~10^-15 относительно темнового тока), аналого-цифровой преобразователь, микросборка П-267, буферное запоминающее устройство, микросборка ЛА-20 [см. Якубовский Б. и др. цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990].

Поскольку точность синхронизации элементов устройства должна составлять нс, телекоммуникационная программа реализована на специальном быстродействующем компьютере типа семейства компьютеров Ultra компании Sun Microsystems (НИИ системных исследований РАН) [см. http://www.solariscentral.org].

Реализации зарегистрированных спектров сигналов откликов в виде амплитудно-частотных характеристик видимого диапазона иллюстрируется графиками фиг.4.

Эффективность измерителя определяется достоверностью идентификации атомного элемента. Имеется возможность набора статистических данных по формам АЧХ-спектров для создания базы эталонных сигналов. При наличии эталонной базы достоверную идентификацию атомных элементов проводят по амплитуде, длительности и форме, что превосходит известные аналоги.

Измеритель спектров сигналов откликов атомных элементов на проникающее облучение, содержащий сборку сцинтилляционных пластин, преобразующих поток радиации отклика в спектр ультрафиолетового излучения, волокна-файберы, уложенные в профильные канавки пластин, спектросмещающие ультрафиолетовое излучение в спектр видимого диапазона, торец жгута файберов, преобразователь светового потока в электрический сигнал, отличающийся тем, что к торцу файберов приклеена светособирающая линза, формирующая диаметр светового пучка для ввода его в акустооптический фильтр, генератор накачки фильтра с подключенными к нему реактивным элементом и генератором пилообразного напряжения для линейного изменения частоты настройки фильтра, последовательно подключенные к выходу фильтра лавинный фотодиод, аналого-цифровой преобразователь, буферное запоминающее устройство и компьютер, осуществляющий визуализацию регистрируемых спектров сигналов, а также синхронизацию работы элементов устройства и регулирование длительности импульсов генератора пилообразного напряжения путем закладываемой в компьютер телекоммуникационной программы.