RU2386146C1

RU2386146C1 - Device with spherical field of view for searching for photon sources

Info

Publication number: RU2386146C1
Application number: RU2008150823/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Власенко (RU); Андрей Николаевич Власенко; Владимир Павлович Демченков (RU); Владимир Павлович Демченков; Олег Евгеньевич Лапин (RU); Олег Евгеньевич Лапин; Александр Филиппович Первишко (RU); Александр Филиппович Первишко
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-04-10

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: invention can be used in radiation monitoring as apparatus for searching for and determining direction of a photon source in solid angle of 4Ç sr. The device with a spherical field of view for searching for photon sources has a detecting unit comprising a protective shield in form of a sphere and a multi-element detector, an electronic converter connected to the detector elements and an electronics module connected to the electronic converter. The detecting elements are on edges of a regular polyhedron formed by plates of the electronic converter, inside of which there is a protective shield. ^ EFFECT: increase in the field of view of the device to a complete solid angle and increase in detecting capacity. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при радиационном мониторинге в качестве средства поиска и определения направления на фотонный источник в телесном угле 4π стерадиан.The invention relates to the field of nuclear instrumentation and can be used in radiation monitoring as a means of searching and determining the direction to a photon source in a solid angle of 4π steradian.

Известно «Устройство для поиска и измерения двух угловых координат фотонных источников» [Патент РФ №2192656], содержащее детектирующий блок, включающий защитный экран в виде сферы с ортогональными пазами, в которых размещены многоэлементные детекторы, соединенные с блоком электроники. Ортогональное расположение многоэлементных детекторов позволяет определять две угловые координаты источника излучения. Недостатками устройства являются относительно низкая обнаружительная способность, связанная с малой площадью пазов по сравнению с площадью всей сферы, а также ограниченное поле зрения по каждой координате за счет применения коллиматора.It is known “Device for searching and measuring two angular coordinates of photon sources” [RF Patent No. 2192656], comprising a detecting unit, including a protective shield in the form of a sphere with orthogonal grooves, in which multi-element detectors are connected to the electronics block. The orthogonal arrangement of multi-element detectors allows you to determine two angular coordinates of the radiation source. The disadvantages of the device are the relatively low detection ability associated with a small groove area compared to the area of the entire sphere, as well as a limited field of view in each coordinate due to the use of a collimator.

Известно устройство «Gamma ray incident direction detector (Детектор для определения направления падения гамма-излучения)» [Патент JP №2004170116]. Устройство содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в виде сферы с отверстиями в ее поверхности (25 отверстий), в которых размещены детекторы, соединенные со схемой обработки. Колоколообразные диаграммы направленности, формирующиеся экраном для каждого детектора, позволяют определять направление на источник излучения в телесном угле 4π стерадиан. Недостатками устройства являются относительно низкая обнаружительная способность, связанная с малой площадью отверстий, в которых располагаются детекторы, по сравнению с общей площадью поверхности сферы, а также невысокая интегральная чувствительность за счет заглубления детекторов в защитном экране.A device is known "Gamma ray incident direction detector (Detector for determining the direction of incidence of gamma radiation)" [JP Patent No. 2004170116]. The device comprises a detecting unit, including a protective shield in the form of a sphere with holes in its surface (25 holes), in which the detectors are connected to the processing circuit. The bell-shaped radiation patterns formed by the screen for each detector make it possible to determine the direction to the radiation source in a solid angle of 4π steradians. The disadvantages of the device are the relatively low detection ability associated with the small area of the holes in which the detectors are located, compared with the total surface area of the sphere, as well as low integrated sensitivity due to the depth of the detectors in the protective screen.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство для поиска фотонных источников» [Патент РФ № 012016]. Устройство содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в форме цилиндра, многоэлементный детектор, расположенный на боковой поверхности экрана, и схему обработки, соединенную с детекторами. Полученное с элементов детектора распределение сигналов, зависящее от углового положения источника и чувствительного элемента, сравнивается со значениями нормированных угловых характеристик каждого элемента. По результатам сравнения делается вывод о положении источника в азимутальной плоскости. Недостатками устройства являются определение направления на источник излучения только по одной угловой координате и относительно низкая обнаружительная способность.The closest technical solution adopted for the prototype is "A device for searching photon sources" [RF Patent No. 012016]. The device comprises a detecting unit, including a protective screen in the form of a cylinder, a multi-element detector located on the side surface of the screen, and a processing circuit connected to the detectors. The signal distribution obtained from the detector elements, depending on the angular position of the source and the sensing element, is compared with the values of the normalized angular characteristics of each element. Based on the comparison results, a conclusion is drawn about the position of the source in the azimuthal plane. The disadvantages of the device are the determination of the direction to the radiation source by only one angular coordinate and a relatively low detection ability.

Задачей изобретения является увеличение зоны обзора устройства до полного телесного угла 4π стерадиан и повышение обнаружительной способности.The objective of the invention is to increase the field of view of the device to a full solid angle of 4π steradians and increase the detection ability.

Предложено устройство со сферической зоной обзора для поиска фотонных источников, содержащее детектирующий блок, включающий защитный экран в форме шара и многоэлементный детектор, электронный преобразователь, соединенный с элементами детектора, и блок электроники, соединенный с электронным преобразователем. Детектирующие элементы расположены по ребрам правильного многогранника, образованного платами электронного преобразователя, внутри которого размещен защитный экран. В качестве детектирующих элементов могут быть использованы счетчики Гейгера, сцинтилляционные или полупроводниковые детекторы фотонного излучения. Защитный экран должен быть изготовлен из материала с большой атомной массой и высокой плотностью (свинец, вольфрам и т.д.). Электронный преобразователь управляет питанием детектирующих элементов и передает накопленную в результате измерений информацию в блок электроники. Блок электроники производит первичную обработку полученной от детектирующих элементов информации и передает данные для последующих вычислений в ПЭВМ.A device with a spherical field of view for searching photon sources is proposed, comprising a detecting unit including a ball-shaped protective screen and a multi-element detector, an electronic converter connected to the detector elements, and an electronics unit connected to the electronic converter. The detecting elements are located along the edges of the regular polyhedron formed by the boards of the electronic converter, inside which a protective screen is placed. Geiger counters, scintillation or semiconductor photon radiation detectors can be used as detecting elements. The shield must be made of a material with a high atomic mass and high density (lead, tungsten, etc.). The electronic converter controls the power of the detecting elements and transfers the information accumulated as a result of the measurements to the electronics unit. The electronics unit performs the initial processing of the information received from the detecting elements and transmits data for subsequent calculations to a PC.

Существенным является выполнение защитного экрана в виде шара и расположение детектирующих элементов многоэлементного детектора вокруг его поверхности по ребрам правильного многогранника, образованного платами электронного преобразователя.It is essential that the protective shield is in the form of a ball and the location of the detecting elements of the multi-element detector around its surface along the edges of the regular polyhedron formed by the boards of the electronic converter.

Такая конструкция устройства позволяет получить зону обзора 4π стерадиан за счет размещения детектирующих элементов вокруг всей поверхности экрана в отличие от прототипа, где элементы размещались в одной плоскости, и измерять направление на источник по двум координатам - азимутальному и полярному углам. Повышение обнаружительной способности достигается за счет возможности размещения большего числа детектирующих элементов вокруг экрана, открытых для фотонного излучения. Обнаружение источника происходит при выполнении следующего неравенства:This design of the device allows you to get a viewing area of 4π steradians by placing the detecting elements around the entire surface of the screen, unlike the prototype, where the elements were placed in the same plane, and measure the direction to the source in two coordinates - azimuthal and polar angles. Increasing the detection ability is achieved due to the possibility of placing a larger number of detecting elements around the screen, open to photon radiation. Source detection occurs when the following inequality holds:

где N^C- суммарное зарегистрированное количество импульсов от источника, N^Ф - суммарное зарегистрированное количество импульсов фонового излучения, k - коэффициент (квантиль обнаружения) [Патент РФ №2192656]. Если устройство содержит n детекторов, то значение величины импульсов сигнала и фона можно записать в виде:where N ^C is the total recorded number of pulses from the source, N ^Ф is the total recorded number of pulses of background radiation, k is the coefficient (detection quantile) [RF Patent No. 2192656]. If the device contains n detectors, then the value of the signal and background pulses can be written in the form:

где

,

- среднее зарегистрированное количество импульсов сигнала и фонового излучения для одного элемента. Подставляя выражения (2) в формулу (1), получаем:Where

,

- the average recorded number of signal pulses and background radiation for one element. Substituting expressions (2) in the formula (1), we obtain:

Таким образом, увеличение количества детектирующих элементов в устройстве приводит к выигрышу в чувствительности в корень квадратный раз из числа элементов по сравнению с чувствительностью устройства, содержащего один детектор.Thus, an increase in the number of detecting elements in the device leads to a gain in sensitivity by a square root of the number of elements compared to the sensitivity of a device containing one detector.

Расположение в данном устройстве детектирующих элементов без дополнительной коллимации самих элементов позволяет добиться более высокой обнаружительной способности, так как в процессах регистрации фотонного излучения участвует вся открытая для излучения площадь детектирующего элемента, а не его часть.The location of the detecting elements in this device without additional collimation of the elements themselves allows for a higher detection ability, since the entire area of the detecting element exposed to the radiation is involved in the photon radiation registration processes, and not its part.

На фиг.1 показана схема устройства.Figure 1 shows a diagram of a device.

Устройство содержит защитный экран в виде шара 1, многоэлементный детектор 2, платы электронного преобразователя 3 и блок электроники 4. При конкретном исполнении для регистрации жесткого фотонного излучения в качестве элементов многоэлементного детектора 2 используются счетчики Гейгера, защитный экран выполнен из вольфрамового сплава. Детектирующие элементы располагаются по ребрам додекаэдра.The device comprises a protective shield in the form of a ball 1, a multi-element detector 2, electronic converter boards 3 and an electronics unit 4. For a specific design, Geiger counters are used as elements of the multi-element detector 2, the protective screen is made of tungsten alloy. Detecting elements are located along the edges of the dodecahedron.

На фиг.2 показана плата электронного преобразователя, являющаяся одной гранью додекаэдра, с установленными на ней элементами детектора.Figure 2 shows the electronic converter board, which is one face of the dodecahedron, with detector elements mounted on it.

В процессе поиска гамма-источника сигналы с выходов элементов детектора 2, сформированные по амплитуде и длительности в преобразователе 3, поступают на входы электронного блока 4. Блок 4, содержащий логическую схему и управляющий микроконтроллер, осуществляет поканальное накопление и преобразование данных в машинный код, который по последовательному каналу поступает на ПЭВМ. Передача данных в ПЭВМ может осуществляться через один из интерфейсов: RS-232, RS-485, USB или CAN. Алгоритм обработки поступившей информации для вычисления направления на источник фотонного излучения аналогичен прототипу за исключением того, что угловые характеристики каждого элемента имеют распределение по двум угловым координатам.In the process of searching for a gamma source, the signals from the outputs of the elements of the detector 2, formed by the amplitude and duration in the converter 3, are fed to the inputs of the electronic unit 4. Block 4, which contains a logic circuit and a control microcontroller, performs channel-by-channel accumulation and conversion of data into machine code, which through a serial channel is fed to a PC. Data transfer to a PC can be done through one of the interfaces: RS-232, RS-485, USB or CAN. The algorithm for processing the received information to calculate the direction to the photon radiation source is similar to the prototype, except that the angular characteristics of each element are distributed along two angular coordinates.

Дополнительное преимущество в измерении направления на фотонный источник по двум угловым координатам заключается в возможности определения расстояния до источника и, как следствие, дистанционной оценки его активности (при условии нахождения источника на земле и известной высоте Н расположения устройства относительно земли). Расстояние может быть вычислено по формуле:An additional advantage in measuring the direction of a photon source from two angular coordinates is the ability to determine the distance to the source and, as a result, remotely evaluate its activity (provided that the source is on the ground and the device’s relative height H is relative to the ground). The distance can be calculated by the formula:

где θ - угол места, отсчитываемый от горизонтальной плоскости.where θ is the elevation angle measured from the horizontal plane.

Claims

A device with a spherical field of view for searching photon sources, comprising a detecting unit including a protective screen and a multi-element detector located around the surface of the screen, characterized in that it contains an electronic converter connected to the detector elements and an electronics unit connected to the converter, the protective screen is made in the form of a ball, and the detectors are located along the edges of the regular polyhedron formed by the boards of the electronic converter.