Малогабаритное устройство для визуализации источников гамма-излучения

Малогабаритное устройство для визуализации источников гамма-излучения

Реферат

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при радиационном мониторинге в качестве средства визуализации источников гамма-излучения.

Известно устройство «Портативный прибор для получения рентгеновских- и гамма-изображений с кодирующей маской» [«Nuclear Instruments and Methods in Physics Research» A, 422 (1999), 729-734], содержащее детектирующий блок, блок электроники и видеокамеру. Детектирующий блок помещен в защитный корпус и содержит кодирующую маску, сцинтилляционный детектор CsI(Tl), ПЗС-матрицу и два последовательно соединенных усилителя изображения. Блок электроники, который содержит электронные узлы ПЗС-матрицы, видеокамеры, высоковольтный источник питания для усилителей изображения и интерфейс для связи с компьютером, размещен во внутренней части вспомогательного отделения детектирующего блока.

Известно «Устройство для определения положения радиоактивных источников в реальном времени» [патент РФ №2166777], содержащее камеру с защитным экраном, оптический затвор, кодирующую маску, ПЗС-матрицу, пульт дистанционного управления оптическим затвором, блок ввода изображений с ПЗС-матрицы, блок суммирования кадров, блок декодирования и блок цифровой обработки и визуализации изображений, в роли которого выступает персональный компьютер.

Данные устройства относятся к классу портативных приборов (pocket type), основными недостатками которых является наличие дополнительного оборудования для размещения - треноги с поворотным механизмом, необходимость питания от сети, а также применение персонального компьютера для обработки и отображения информации об источниках гамма-излучения. Эти особенности делают затруднительным применение приборов такого класса в труднодоступных местах при ликвидации последствий различных радиационных аварий или при оперативном поиске источников гамма-излучения.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Прибор для получения гамма-изображений» [WO №9609560 (А1)], состоящий из детектирующего блока, содержащего кодирующую маску, матрицу детекторов и блок электроники, помещенных в корпус для защиты от гамма-излучения, а также видеокамеры, треноги с поворотным механизмом и персонального компьютера. Блок электроники содержит предусилители, мультиплексор, цифровой преобразователь, фрейм-граббер и контроллер шагового двигателя. Детектирующий блок устанавливается на треногу с поворотным механизмом, который обеспечивает вращение блока в горизонтальной плоскости в течение времени экспозиции, с целью увеличения зоны зрения устройства. Вращение производится вокруг вертикальной оси, проходящей через кодирующую маску и центр линзы объектива видеокамеры, и осуществляется при помощи шагового двигателя, работа которого управляется по кабелю персональным компьютером через контроллер шагового двигателя. Видеокамера связана с фрейм-граббером, который записывает видеоизображение исследуемого участка местности по запросу от компьютера. Матрица детекторов представляет собой массив из 15×4 элементов, причем каждый элемент представляет собой сборку сцинтилляционного детектора CsI(Tl) размерами 1 см×1 см×2 см и фотодиода. Элементы массива связаны с предусилителями, которые, в свою очередь, связаны мультиплексором с аналогово-цифровым преобразователем, который переводит сигналы о зарегистрированных гамма-квантах в цифровую форму для передачи по кабелю в компьютер для декодирования и восстановления изображений источников излучения. Восстановленное изображение источников излучения накладывается на видеоизображение и отображается на дисплее персонального компьютера.

Недостатками данного устройства являются необходимость обработки получаемых данных на персональном компьютере и относительно большие габариты и масса (25 килограмм), которые требуют наличия дополнительного оборудования для его размещения и работы. Это создает неудобство при эксплуатации устройства и затрудняет его использование в труднодоступных местах.

Задачей изобретения является создание автономного малогабаритного устройства класса носимых приборов (hand-held type), не требующего внешних источников питания, оборудования для размещения и дополнительных вычислительных устройств.

Предложено малогабаритное устройство для визуализации источников гамма-излучения. Оно содержит корпус, кодирующую маску, матрицу детекторов, видеокамеру, блок электроники, микроЭВМ, дисплей и пульт управления. Матрица детекторов выполнена в виде набора идентичных линеек, на которых в качестве чувствительных элементов установлены счетчики Гейгера-Мюллера СБМ21 по равному количеству счетчиков в каждой линейке. Блок электроники содержит блок контроллеров, преобразователь высоковольтный, блок аккумуляторов и модуль согласования, связанные общей информационной внутрисистемной CAN-магистралью. Матрица детекторов связана с блоком контроллеров, состоящим из набора идентичных контроллеров, количество которых равно количеству линеек матрицы, и каждый контроллер связан с соответствующей линейкой матрицы. Вход блока контроллера подключен к выходу преобразователя высоковольтного, а его выход - на CAN-магистраль, входы преобразователя высоковольтного связаны с выходом блока аккумуляторов и с выходом пульта управления, выход видеокамеры и вход дисплея через модуль согласования связаны с микроЭВМ, причем все модули устройства размещены в одном корпусе.

Устройство может дополнительно содержать модуль Wi-Fi для беспроводной передачи данных на удаленный пульт управления.

Для облегчения массы устройства корпус может быть изготовлен из алюминиевого сплава. Для уменьшения влияния фонового излучения корпус может быть изготовлен или содержать дополнительную защиту из материала, ослабляющего гамма-излучение - с большим зарядовым числом Z (например, свинец или вольфрам).

Использование малогабаритных счетчиков, микроЭВМ, дисплея, пульта управления и блока электроники и их внутренней компоновки в одном корпусе позволило создать автономное малогабаритное устройство класса носимых приборов (hand-held type), не требующего внешних источников питания, оборудования для размещения и дополнительных вычислительных устройств. Таким образом, совокупность отличительных признаков является необходимым и достаточным условием для выполнения поставленной задачи.

Предложено устройство (см. чертеж), содержащее корпус 2, кодирующую маску 3, матрицу детекторов 4, блок контроллеров 5, микроЭВМ 6, видеокамеру 7, дисплей 8, пульт управления 9, преобразователь высоковольтный 10, блок аккумуляторов 11 и модуль согласования 12. Кодирующая маска 3 имеет прямоугольную форму, состоит из прозрачных и не прозрачных для гамма-излучения элементов, расположенных в определенном порядке, и установлена в передней стенке корпуса 2. Матрица детекторов 4 расположена внутри корпуса 2 напротив кодирующей маски 3, причем центральная ось матрицы 4 совпадает с центральной осью маски 3. Матрица детекторов 4 имеет прямоугольную форму и представляет собой набор идентичных линеек, на которых в качестве элементов, чувствительных к гамма-излучению, установлены счетчики Гейгера-Мюллера СБМ21 по равному количеству счетчиков в каждой линейке. Матрица детекторов 4 связана с блоком контроллеров 5, который содержит набор идентичных контроллеров, количество которых равно количеству линеек матрицы, и каждый контроллер связан с соответствующей линейкой матрицы. Вход блока контроллеров 5 подключен к выходу преобразователя высоковольтного 10. Выход блока контроллеров 5 подключен на внутрисистемную CAN-магистраль, к которой также подключены микроЭВМ 6 и преобразователь высоковольтный 10. Входы преобразователя высоковольтного 10 связаны с выходом блока аккумуляторов 11 и с выходом пульта управления 9. Модуль согласования 12 служит для организации электрических связей между микроЭВМ 6, видеокамерой 7, дисплеем 8, пультом управления 9 и преобразователем высоковольтным 10.

Устройство работает следующим образом.

Потоки гамма-квантов от радиоактивных источников 1, проходящие через кодирующую маску 3, состоящую из прозрачных и не прозрачных для гамма-излучения элементов, образовывают, в зависимости от направления прихода гамма-излучения, суперпозицию уникальных пространственных распределений тени маски в плоскости матрицы детекторов. Такая суперпозиция теней кодирующей маски 3 регистрируется на счетчиках детекторной матрицы 4 в виде электрических сигналов. Питание счетчиков обеспечивается через блок контроллеров 5 преобразователем высоковольтным 10, который преобразовывает входное напряжение 12 В в напряжение 400 В. Блок контроллеров 5 имеет возможность варьировать длительность и периодичность следования импульсов электропитания счетчиков в зависимости от интенсивности потока регистрируемого гамма-излучения, что дает возможность расширить верхнюю границу диапазона устройства по мощности дозы гамма-излучения до 1 Зв/ч (100 Р/ч). Электрические сигналы с выходов счетчиков детекторной матрицы 4 поступают в блок контроллеров 5, где происходит преобразование сигналов в цифровой формат и их передача по CAN-магистрали в микроЭВМ 6. В микроЭВМ 6 по алгоритму восстановления картины гамма-поля осуществляется декодирование информации, полученной со счетчиков детекторной матрицы 4, и формируется изображение источников гамма-излучения. Одновременно с регистрацией гамма-излучения в микроЭВМ 6 с видеокамеры 7 поступает видеоизображение исследуемого участка местности, которое совмещается с полученным изображением источников гамма-излучения. Совмещенное изображение от микроЭВМ 6 передается для отображения на дисплей 8, расположенный на корпусе 2. Управление работой устройства осуществляется при помощи пульта управления 9, подключаемого к преобразователю высоковольтному 10 и представляющего собой шильд-клавиатуру с набором функциональных кнопок, расположенную на корпусе 2. Питание модулей устройства осуществляется от блока аккумуляторов 11: через модуль согласования 12 для питания микроЭВМ 6, видеокамеры 7, дисплея 8 и через преобразователь высоковольтный 10 для питания счетчиков детекторной матрицы 4.

Предлагаемое устройство позволяет использовать его в носимом варианте (hand-held type), а использование аккумуляторов делает устройство энергонезависимым. Масса (не более 4 кг) и габариты устройства (не более 215×120×125 мм) позволяют проводить измерения без дополнительного оборудования в полевых условиях и труднодоступных местах.

Дополнительным преимуществом использования счетчиков Гейгера-Мюллера в детекторной матрице является возможность применение импульсной схемы питания, которая позволит расширить верхнюю границу диапазона устройства по мощности дозы гамма-излучения до 1 Зв/ч (100 Р/ч), т.е. улучшить технические характеристики.

Малогабаритное устройство для визуализации источников гамма-излучения, содержащее корпус, кодирующую маску, матрицу детекторов, видеокамеру и блок электроники, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит микроЭВМ, дисплей и пульт управления, матрица детекторов выполнена в виде набора идентичных линеек, на которых в качестве чувствительных элементов установлены счетчики Гейгера-Мюллера СБМ21 по равному количеству счетчиков в каждой линейке, блок электроники содержит блок контроллеров, преобразователь высоковольтный, блок аккумуляторов, модуль согласования, подключенные к внутрисистемной CAN-магистрали, матрица детекторов связана с блоком контроллеров, состоящим из набора идентичных контроллеров, количество которых равно количеству линеек матрицы, и каждый контроллер связан с соответствующей линейкой матрицы, вход блока контроллера подключен к выходу преобразователя высоковольтного, а его выход - на CAN-магистраль, входы преобразователя высоковольтного связаны с выходом блока аккумуляторов и с выходом пульта управления, выход видеокамеры и вход дисплея через модуль согласования связаны с микроЭВМ, причем все модули устройства размещены в одном корпусе.