RU2758419C1 - Method for measuring the upper limit of integral and dynamic characteristics of high-energy brake or gamma radiations of powerful pulse sources - Google Patents
Method for measuring the upper limit of integral and dynamic characteristics of high-energy brake or gamma radiations of powerful pulse sources Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758419C1 RU2758419C1 RU2021104191A RU2021104191A RU2758419C1 RU 2758419 C1 RU2758419 C1 RU 2758419C1 RU 2021104191 A RU2021104191 A RU 2021104191A RU 2021104191 A RU2021104191 A RU 2021104191A RU 2758419 C1 RU2758419 C1 RU 2758419C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scintillator
- radiation
- optical radiation
- dose
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/167—Measuring radioactive content of objects, e.g. contamination
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для определения динамических и интегральных по времени характеристик высокодозных высокоэнергетичных тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, действующих на объекты испытаний, далее просто излучений. Излучение исследуемого типа генерируется, например, электронными ускорителями типа линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 [1], [2], имеющим характерную длительность импульса ~ 20 нс и энергию излучения до 40 МэВ.The proposed invention relates to the field of nuclear and radiation physics and can be used to determine the dynamic and time-integrated characteristics of high-dose high-energy bremsstrahlung or gamma radiation from powerful pulsed sources acting on test objects, then simply radiation. Radiation of the investigated type is generated, for example, by electron accelerators such as the linear induction accelerator LIU-30 [1], [2], with a characteristic pulse duration of ~ 20 ns and radiation energy up to 40 MeV.
В методологическом подходе при определении динамических и интегральных по времени характеристик излучения мощных импульсных источников фактором, наиболее активно влияющим на результаты измерений, является выбор свойств детектора излучения, а также подход к обработке результатов детектирования.In the methodological approach, when determining the dynamic and time-integrated characteristics of the radiation of powerful pulsed sources, the factor most actively influencing the measurement results is the choice of the properties of the radiation detector, as well as the approach to processing the detection results.
При решении выше обозначенных проблем используется ряд известных сцинтилляционных детекторов. Ниже приведен их обзор как средства детектирования излучения мощных импульсных источников. Существуют сцинтилляционные детекторы (СД) для регистрации высокоинтенсивных импульсных потоков тормозного излучения (ТИ) и гамма-излучения (для измерения интегральных и динамических характеристик излучений рассматриваемых типов излучений) следующего типа [3], [4]. Чувствительным элементом (ЧЭ) в данных детекторах является сцинтиллятор, в котором при воздействии гамма-излучения генерируется оптическое излучение, поступающее на фотоприемник (ФП). Временная форма отклика СД определяется мощностью (производной по времени) поглощенной дозы в ЧЭ. В ФП под действием оптического излучения возникает токовый импульс I(t), передаваемый по кабельной линии и регистрируемый далее осциллографом. Преимуществом сцинтилляционного метода является возможность дистанционно передавать оптическое излучение от сцинтиллятора по воздушному или иному оптическому каналу - световоду на ФП. При этом ФП, разъем, кабель выводятся из зоны воздействия ионизирующего излучения. Сам сцинтиллятор при этом должен обладать высокой радиационной стойкостью, позволяющей обеспечить ему возможность сохранить требуемую функцию в заданных условиях.In solving the above problems, a number of known scintillation detectors are used. Below is an overview of them as a means of detecting radiation from powerful pulsed sources. There are scintillation detectors (SD) for recording high-intensity pulse fluxes of bremsstrahlung (TI) and gamma radiation (for measuring the integral and dynamic characteristics of the radiation of the types of radiation under consideration) of the following type [3], [4]. The sensitive element (SE) in these detectors is a scintillator, in which, when exposed to gamma radiation, optical radiation is generated, which arrives at the photodetector (PD). The temporal form of the SD response is determined by the power (time derivative) of the absorbed dose in the SE. Under the action of optical radiation, a current pulse I (t) appears in the FP, which is transmitted through the cable line and recorded further by the oscilloscope. The advantage of the scintillation method is the ability to remotely transmit optical radiation from the scintillator through an air or other optical channel - an optical fiber to the FP. In this case, the FP, the connector, the cable are removed from the zone of exposure to ionizing radiation. In this case, the scintillator itself must have a high radiation resistance, allowing it to be able to maintain the required function under specified conditions.
В [3] описан детектор с пластмассовым сцинтиллятором (ПС) на основе полистирола. Типичный размер сцинтиллятора составляет ~ сантиметры [4, стр. 72]. Недостатком такого выбора детектора при решении обозначенной проблемы прототипа является ограниченный верхний диапазон измерения поглощенной дозы, составляющей ~10 Гр (1 крад) [6, стр. 47] и обусловленный радиационным поражением пластмассы.In [3], a detector with a plastic scintillator (PS) based on polystyrene is described. The typical size of a scintillator is ~ centimeters [4, p. 72]. The disadvantage of this choice of the detector when solving the indicated problem of the prototype is the limited upper range of measurement of the absorbed dose, which is ~ 10 Gy (1 krad) [6, p. 47] and caused by radiation damage to the plastic.
Существует ряд проблем в ядерной физике, при решении которых требуется необходимость измерения высоких пределов измеряемой дозы излучения, что связано с необходимостью выбора сцинтилляционного детектора с таким свойством как радиационная стойкость сцинтиллятора, позволяющим сохранить работоспособность регистратора при повышении уровня дозовой нагрузки. Для таких проблем поставлена задача - увеличить верхний предел измеряемой дозы свыше ~1000 Гр (100 крад).There are a number of problems in nuclear physics, the solution of which requires the need to measure high limits of the measured dose of radiation, which is associated with the need to choose a scintillation detector with such a property as radiation resistance of the scintillator, which allows the recorder to remain operational with an increase in the dose level. For such problems, the task was set - to increase the upper limit of the measured dose over ~ 1000 Gy (100 krad).
В [3, стр. 48] упоминается о почернении торцов сцинтиллятор (кроме обращенного к ФП) как способе уменьшения пробега оптического излучения в сцинтилляторе и повышения радиационной стойкости детектора. Однако, взятый в отдельности, этот способ - аналог не может обеспечить радикального повышения радиационной стойкости.In [3, p. 48], the blackening of the ends of the scintillator (except for the one facing the FP) is mentioned as a way to reduce the path of optical radiation in the scintillator and increase the radiation resistance of the detector. However, taken separately, this analogue method cannot provide a radical increase in radiation resistance.
При регистрации импульсных высокоинтенсивных потоков гамма-излучения или ТИ ускорителей сцинтиллятор детектора подвергается импульсному объемному (равномерно по объему) воздействию. Существует принципиальная разница в механизме радиационного поражения сцинтиллятора при объемном (равномерном) импульсном облучении и статическом облучении. При импульсном облучении длительностью ~ 20 не плотность потока квантов настолько велика, что время между воздействием отдельных квантов ничтожно мало и воздействие осуществляется как непрерывный процесс. Треки отдельных частиц не разделяются ни пространственно, ни по времени. При статическом же облучении воздействию подвергается только область трека частицы. При этом импульсы отдельных частиц, как правило, разделяются между собой.When registering pulsed high-intensity fluxes of gamma radiation or TI accelerators, the scintillator of the detector is subjected to a pulsed volumetric (uniformly over the volume) effect. There is a fundamental difference in the mechanism of radiation damage to the scintillator under volume (uniform) pulsed irradiation and static irradiation. Under pulsed irradiation with a duration of ~ 20 ns, the flux density of quanta is so high that the time between exposure to individual quanta is negligible and the exposure is carried out as a continuous process. The tracks of individual particles are not separated either spatially or in time. Under static irradiation, only the region of the particle track is affected. In this case, the momenta of individual particles, as a rule, are separated from each other.
Поэтому предложения по повышению радиационной стойкости сцинтилляторов или повышению измеряемого верхнего дозового предела существенно различаются в случае работы сцинтиллятора в импульсном объемном или статическом облучении. Существует много патентов, где изложены методы повышения радиационной стойкости сцинтилляторов при статическом облучении. Однако эти методы в связи с вышеизложенными принципиальными различиями во взаимодействии излучения с материалом сцинтиллятора практически неприменимы для случая импульсного объемного облучения.Therefore, proposals for increasing the radiation resistance of scintillators or increasing the measured upper dose limit differ significantly in the case of a scintillator operating under pulsed volumetric or static irradiation. There are many patents that describe methods for increasing the radiation resistance of scintillators under static irradiation. However, due to the above-stated fundamental differences in the interaction of radiation with the scintillator material, however, these methods are practically inapplicable for the case of pulsed volumetric irradiation.
Ниже приведены примеры использования детекторов разного типа и способы повышения их радиационной стойкости для случая статического облучения образца.Below are examples of using different types of detectors and ways to increase their radiation resistance for the case of static irradiation of the sample.
Известен сцинтилляционный радиационно-стойкий детектор [8]. В сцинтилляторе этого детектора сделаны канавки для размещения световодов, смещающих длину волны оптического излучения сцинтиллятора до 550 нм, и передачи по ним оптического излучения на расположенный на удалении фотоприемник. За счет увеличения длины волны оптического излучения уменьшается его ослабление в световоде и повышается радиационная стойкость детектора в целом. Данный детектор предназначен для использования в статическом облучении. И нет оснований для его использования в импульсных высокодозных полях. Детектор характеризуют большие габариты и его нельзя использовать в измерениях с ограниченным объемом облучения.Known scintillation radiation-resistant detector [8]. In the scintillator of this detector, grooves are made to accommodate optical fibers that shift the wavelength of the optical radiation of the scintillator to 550 nm, and transmit optical radiation through them to a photodetector located at a distance. By increasing the wavelength of optical radiation, its attenuation in the fiber decreases and the radiation resistance of the detector as a whole increases. This detector is intended for use in static radiation. And there is no reason to use it in high-dose pulsed fields. The detector is large in size and cannot be used in measurements with a limited amount of radiation.
Существуют сцинтилляционные детекторы, использующие пленочные сцинтилляторы. Тонкие пленочные сцинтилляторы применяются для регистрации тяжелых частиц или частиц малых энергий с короткими пробегами [7]. Приведем некоторые примеры.There are scintillation detectors using film scintillators. Thin film scintillators are used to register heavy or low-energy particles with short ranges [7]. Here are some examples.
Известен пленочный пластмассовый сцинтиллятор [9]. Данный пленочный пластмассовый сцинтиллятор - ППС в составе детектора предназначен для регистрации альфа-частиц и мягких короткопробежный электронов и квантов. Используются пленки диаметром 7.2 см и толщиной 0.005 см. Авторами предложено для пленок использовать материал поли-n-ксилен. Это обеспечивает более высокий световыход, химическую стойкость. Детектор предназначен для использования в статическом облучении. В патенте нет данных о радиационной стойкости данного сцинтиллятора. И нет оснований для его использования в импульсных высокодозных полях.Known plastic film scintillator [9]. This film plastic scintillator - PPS as part of the detector is designed to register alpha particles and soft short-range electrons and quanta. Films with a diameter of 7.2 cm and a thickness of 0.005 cm are used. The authors proposed to use poly-n-xylene material for the films. This provides a higher light output, chemical resistance. The detector is intended for use in static radiation. The patent does not contain data on the radiation resistance of this scintillator. And there is no reason to use it in high-dose pulsed fields.
Аналогичная ситуация с пленочным сцинтиллятором для регистрации бета- и фотонного излучения [10]. Область применения патента - радиометрия жидких, газообразных, твердых тел и дозиметрия ионизирующих излучений. Предложен пленочный сцинтиллятор из поликарбоната с добавками редкоземельных элементов. Недостатком этого сцинтиллятора является большая длительность высвечивания - от 30 до 40 нс. В патенте нет данных о радиационной стойкости данного сцинтиллятора. И нет оснований для его использования в импульсных высокодозных полях.The situation is similar with a film scintillator for detecting beta and photon radiation [10]. The scope of the patent is radiometry of liquid, gaseous, solid bodies and dosimetry of ionizing radiation. A film scintillator made of polycarbonate with additives of rare earth elements is proposed. The disadvantage of this scintillator is the long illumination duration - from 30 to 40 ns. The patent does not contain data on the radiation resistance of this scintillator. And there is no reason to use it in high-dose pulsed fields.
Существуют фирмы, производящие пленочные сцинтилляторы. Тонкие сцинтилляционные пленки идеально подходят для регистрации заряженных частиц и применений, требующих быстрого считывания. Компания Saint-Gobain Crystals изготавливает тонкие пленки на основе следующих пластиковых сцинтилляторов: ВС-400, ВС-404, ВС-418, ВС-422. Толщины составляют от 0.5 мм до 0.01 мм. Нет информации по их использованию в высокодозном импульсном режиме.There are firms producing film scintillators. Thin scintillation films are ideal for charged particle detection and fast read applications. Saint-Gobain Crystals manufactures thin films based on the following plastic scintillators: ВС-400, ВС-404, ВС-418, ВС-422. The thicknesses range from 0.5 mm to 0.01 mm. There is no information on their use in high dose pulsed mode.
Таким образом, вышеприведенная информация, касающаяся описания средств детектирования мощного излучения, отражает состояние методических подходов в области определения динамических и интегральных по времени характеристик высокодозных высокоэнергетичных тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, действующих на объекты испытаний, и показывает их ориентированность на случай облучения в стационарных высокодозных полях.Thus, the above information regarding the description of the means for detecting powerful radiation reflects the state of the art of methodological approaches in the field of determining the dynamic and time-integrated characteristics of high-dose high-energy bremsstrahlung or gamma radiation from powerful pulsed sources acting on test objects, and shows their orientation to the case of irradiation in stationary high-dose fields.
Рассмотрим работы, относящиеся к регистрации импульсного излучения, в том числе способы повышения верхнего измеряемого предела, акцентируя описание на обзоре средств детектирования в рамках методических измерительных подходов.Let us consider the works related to the registration of pulsed radiation, including methods of increasing the upper measurable limit, focusing the description on the review of detection means within the framework of methodological measuring approaches.
В [3, стр. 48] упоминается способ повышения радиационной стойкости, связанный с формой сцинтиллятора: радиационная стойкость сцинтилляторов с малой высотой значительно выше, чем у сцинтилляторов, имеющих малый диаметр и большую высоту. Однако в описании этого способа-аналога не приводится конкретных соотношений, связывающих размеры сцинтиллятора и измеряемую дозу.In [3, p. 48], a method for increasing the radiation resistance associated with the shape of the scintillator is mentioned: the radiation resistance of low-height scintillators is much higher than that of scintillators with a small diameter and large height. However, in the description of this analogue method, there are no specific relationships between the dimensions of the scintillator and the measured dose.
Известен сцинтилляционный детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения (МРИ) [11]. В детекторе используется полистирольная пластмасса толщиной 100 мкм. Это соответствует полному поглощению для МРИ. Недостаток данного сцинтилляционного детектора состоит в том, что не представлено общей модели радиационного поражения, нет аналитических соотношений. Берется конкретная толщина пластмассы и для нее проверяется стойкость пластмассы в определенном диапазоне плотности потока энергий. Отметим, что механизмы радиационного поражения МРИ могут отличаться от механизмов действия гамма-излучения. Поглощение энергии в сцинтилляторе характеризуется существенным градиентом, в отличие от воздействия гамма-излучения. В данном детекторе не используется зачернение поверхностей сцинтиллятора. Это связано с тем, что любое зачернение торцов пластмассы создают добавочный "мертвый слой" и искажает спектральную характеристику (СХ) детектора МРИ (для гамма-излучения это не существенно). Но тем самым не выделяется прямопрошедшее оптическое излучение. Создаются условия для возникновения рассеянного на стенках сцинтиллятора оптического излучения в сцинтилляторе. Не представлены результаты фоновых экспериментов.Known scintillation detector of pulsed soft X-ray radiation (MRI) [11]. The detector uses 100 µm thick polystyrene plastic. This corresponds to complete absorption for MRI. The disadvantage of this scintillation detector is that there is no general model of radiation damage, there are no analytical relationships. A specific thickness of the plastic is taken and the resistance of the plastic is tested for it in a certain range of energy flux density. Note that the mechanisms of radiation damage to MRI may differ from the mechanisms of action of gamma radiation. The energy absorption in the scintillator is characterized by a significant gradient, in contrast to the effect of gamma radiation. This detector does not use blackening of the scintillator surfaces. This is due to the fact that any blackening of the plastic ends creates an additional "dead layer" and distorts the spectral characteristic (CX) of the MRI detector (this is not essential for gamma radiation). But this does not emit direct transmitted optical radiation. Conditions are created for the appearance of optical radiation scattered on the walls of the scintillator in the scintillator. Results of background experiments are not presented.
Известен сцинтилляционный детектор регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения [12]. В детекторе используется пленочный пластмассовый сцинтиллятор. Детектор обладает конструктивными преимуществами по сравнению с предыдущим образцом [11], но имеет те же недостатки применительно к нашим заявленным целям. В этом детекторе пленочный сцинтиллятор расположен перпендикулярно падающему МРИ, оптическое излучение выводится вдоль направления падения МРИ по волоконной оптической линии связи (ВОЛС) до ФП. Предполагается, что МРИ полностью поглощается в сцинтилляторе и не воздействует на последующие элементы детектора. Такая схема неприменима для жесткого гамма- излучения или ТИ, которые обладают пробегом в сцинтилляторе в ~ десятки сантиметров.Known scintillation detector for recording pulsed soft X-ray radiation [12]. The detector uses a plastic film scintillator. The detector has design advantages over the previous sample [11], but has the same disadvantages in relation to our stated goals. In this detector, a film scintillator is located perpendicular to the incident SXR, optical radiation is output along the direction of incidence of SXR along a fiber optic communication line (FOCL) to the FP. It is assumed that MRI is completely absorbed in the scintillator and does not affect the subsequent elements of the detector. This scheme is inapplicable for hard gamma radiation or TIs, which have a range of ~ tens of centimeters in the scintillator.
Существующий экспериментальный опыт, накопленный авторами, в условиях проведения детектирования в высокодозном импульсном режиме позволяет, изучив предпосылки, предложить к выбору в качестве подходящего материала сцинтиллятора сцинтиллятор на основе полистирола.The existing experimental experience, accumulated by the authors, under the conditions of carrying out detection in a high-dose pulsed mode, after examining the prerequisites, makes it possible to propose a scintillator based on polystyrene as a suitable material for the scintillator.
Рассмотрим возможность использования сцинтиллятора на основе полистирола, для измерения более высоких значений доз. Данные по импульсному радиационному поражению полистирольного сцинтиллятора, содержащего в качестве сцинтиллирующих добавок паратерфенил и РОРОР, приведены, в частности, в [5, 6]. В этих работах показано, что особенностью импульсного облучения сцинтиллятора является мгновенное уменьшение прозрачности и обратимый характер этого уменьшения. В начальные моменты времени уменьшение прозрачности при импульсном облучении на несколько порядков больше, чем при статическом облучении той же дозой.Consider the possibility of using a scintillator based on polystyrene to measure higher doses. Data on pulsed radiation damage to a polystyrene scintillator containing paraterphenyl and POPOP as scintillating additives are given, in particular, in [5, 6]. It was shown in these works that a feature of the pulsed irradiation of the scintillator is an instantaneous decrease in transparency and the reversible nature of this decrease. At the initial moments of time, the decrease in transparency under pulsed irradiation is several orders of magnitude greater than under static irradiation with the same dose.
В целом в работах [5, 6] экспериментально исследованы несколько эффектов радиационного поражения пластмассы при воздействии излучения, получены соответствующие коэффициенты ослабления:In general, in [5, 6], several effects of radiation damage to plastic under the influence of radiation were experimentally investigated, the corresponding attenuation coefficients were obtained:
- уменьшение выхода люминисценции (для разных видов излучений)- decrease in the output of luminescence (for different types of radiation)
- необратимого уменьшения прозрачности пластмассы- irreversible decrease in the transparency of the plastic
- обратимого уменьшения прозрачности пластмассы при импульсном облучении. Для времени t<10 мкс соответствующий коэффициент равен- reversible decrease in the transparency of the plastic under pulsed irradiation. For time t <10 μs, the corresponding coefficient is
Назовем коэффициент γt0 коэффициентом начальной обратимой радиационной потери прозрачности пластмассы при импульсном облучении.Let us call the coefficient γ t0 the coefficient of the initial reversible radiation loss of transparency of the plastic under pulsed irradiation.
Ослабление излучения является экспоненциальным, с показателями, пропорциональными произведению данных коэффициентов и дозе или дозе и толщине пластмассы:Radiation attenuation is exponential, with rates proportional to the product of these factors and the dose or dose and thickness of the plastic:
Коэффициент обратимой радиационной потери прозрачности γ(t) максимален в течение 10 мкс после импульсного облучения и является постоянным в течение этого времени, а затем спадает во времени. Мы ограничиваемся рассмотрением времен облучения <10 мкс. На этих временах эффект обратимого уменьшения прозрачности пластмассы на 3-4 порядка больше других и доминирует. В связи с преобладанием последнего процесса, основной параметр при импульсном поражении сцинтиллятора - это коэффициент начальный обратимой радиационной потери прозрачности γt0, равный (3) при временах <10 мкс [6].The coefficient of reversible radiation transparency loss γ (t) is maximum within 10 μs after pulsed irradiation and is constant during this time, and then decreases with time. We restrict ourselves to considering exposure times <10 μs. At these times, the effect of a reversible decrease in the transparency of plastic is 3-4 orders of magnitude more than others and dominates. Due to the prevalence of the latter process, the main parameter in the case of impulse damage to the scintillator is the coefficient of the initial reversible radiation loss of transparency γ t0 , equal to (3) at times <10 μs [6].
В [6, стр. 47] приводится погрешность коэффициента γt0 (для нескорректированного авторами значения), составляющая ±0.54⋅10-3 (Гр⋅см)-1, что соответствует относительной погрешности δ(γt0)≈10%.In [6, p. 47] the error of the coefficient γ t0 (for the value uncorrected by the authors) is given, which is ± 0.54⋅10 -3 (Gycm) -1 , which corresponds to the relative error δ (γ t0 ) ≈10%.
В [13] показано, что свойством импульсной обратимой потери прозрачности обладают американские пластмассы NE-102 и MEL 150С.It was shown in [13] that the American plastics NE-102 and MEL 150C possess the property of pulsed reversible loss of transparency.
Ослабление плотности потока оптического излучения ϕ в сцинтилляторе описывается известным классическим соотношением;The attenuation of the optical radiation flux density ϕ in the scintillator is described by the well-known classical relation;
где μ - линейный коэффициент ослабления оптического излучения, dx - элемент пути, проходимого оптическим излучением в сцинтилляторе.where μ is the linear attenuation coefficient of optical radiation, dx is the element of the path traversed by optical radiation in the scintillator.
В исходном состоянии сцинтиллятор является практически прозрачным, а ослабление оптического излучения появляется при радиационном поражении и проявляется в увеличении прямо пропорционально дозе линейного коэффициента ослабления оптического излучения (на единицу длины):In the initial state, the scintillator is practically transparent, and the attenuation of optical radiation appears during radiation damage and manifests itself in an increase in direct proportion to the dose of the linear coefficient of attenuation of optical radiation (per unit length):
где D(tr) -поглощенная доза в пластмассе за импульс,where D (t r ) is the absorbed dose in plastic per pulse,
P(tr) - мощность (производная по времени) поглощенной дозы.P (t r ) is the rate (time derivative) of the absorbed dose.
В целом в работе [6] создана достаточно общая и сложная модель радиационного поражения пластмассового сцинтиллятора, включающая математические выражения, в частности, на стр. 48. Эта модель включает многократное рассеяние оптического излучения от стенок сцинтиллятора. Причем закон рассеивания может быть разным. Выход оптического излучения из сцинтиллятора может происходить под произвольными, в том числе большими углами. Подразумевается, что ФП установлен вплотную к сцинтиллятору.On the whole, a rather general and complex model of radiation damage to a plastic scintillator was created in [6], including mathematical expressions, in particular, on page 48. This model includes multiple scattering of optical radiation from the walls of the scintillator. Moreover, the scattering law can be different. The exit of optical radiation from the scintillator can occur at arbitrary, including large, angles. It is assumed that the FP is installed close to the scintillator.
Повышение радиационной стойкости пластмассы может быть достигнуто математическим восстановлением. В [6, стр. 51] предлагается восстанавливать форму импульса излучения по искаженному из-за радиационного поражения пластмассы сигналу детектора (без ограничения процессов по времени). При этом составляется интегральное уравнение типа свертки, использующее коэффициенты обратимой и необратимой радиационной потери прозрачности и описывающее во времени отклик детектора.An increase in the radiation resistance of plastics can be achieved by mathematical recovery. In [6, p. 51], it is proposed to restore the shape of the radiation pulse from the detector signal distorted due to radiation damage to the plastic (without limiting the processes in time). In this case, an integral equation of the convolution type is drawn up, using the coefficients of reversible and irreversible radiation loss of transparency and describing the response of the detector in time.
Примем этот способ увеличения верхнего измеряемого дозового предела в качестве прототипа. То есть прототип в соответствии с формулой изобретения характеризуется следующей общей с заявляемым решением последовательностью действий: обеспечивают генерацию оптического излучения при воздействии высокоэнергетичного излучения на сцинтиллятор сцинтилляционного детектора, преобразование оптического излучения на ФП в токовый импульс и последующую регистрацию токового импульса, сцинтиллятор детектора обладает свойством обратимой радиационной потери прозрачности при импульсном облучении, для обеспечения повышения верхнего измеряемого предела при определении интегральных и динамических характеристик излучений учитывают в том числе экспериментальный коэффициент начальной обратимой радиационной потери прозрачности γt0.Let us take this method of increasing the upper measurable dose limit as a prototype. That is, the prototype in accordance with the claims is characterized by the following sequence of actions common with the claimed solution: provide the generation of optical radiation when high-energy radiation is exposed to the scintillator of the scintillation detector, the conversion of optical radiation on the FP into a current pulse and the subsequent registration of the current pulse, the scintillator of the detector has the property of reversible radiation loss of transparency under pulsed irradiation, to ensure an increase in the upper measurable limit when determining the integral and dynamic characteristics of radiation, the experimental coefficient of the initial reversible radiation transparency loss γ t0 is also taken into account.
Недостатком прототипа является ограниченность возможности повышения измеряемой дозы. Это ограничение связано, в частности, с погрешностью коэффициента γt0. Оценим ослабление оптического излучения в пластмассе толщиной 1 см при дозе 103 Гр:The disadvantage of the prototype is the limited possibility of increasing the measured dose. This limitation is associated, in particular, with the error of the coefficient γ t0 . Let us estimate the attenuation of optical radiation in a plastic 1 cm thick at a dose of 103 Gy:
где t - толщина пластмассы.where t is the thickness of the plastic.
При этом относительная погрешность ослабления оптического излучения, связанная с погрешностью коэффициента γt0, составит:In this case, the relative error of attenuation of optical radiation, associated with the error of the coefficient γ t0 , will be:
Авторы воспользовались формулой переноса погрешности для экспоненциальной зависимости. При больших поражениях пластмассы погрешность восстановления, связанная с погрешностью коэффициента γt0, становится неприемлемой. Кроме того, существует много других источников погрешности восстановления. Сама процедура математического восстановления интегрального уравнения в общем случае является некорректной, то есть связанной с дополнительными погрешностями.The authors used the formula for the transfer of error for the exponential dependence. With large lesions of plastic, the recovery error associated with the error of the coefficient γ t0 becomes unacceptable. In addition, there are many other sources of recovery error. The very procedure of mathematical reconstruction of the integral equation in the general case is incorrect, that is, associated with additional errors.
Отметим, что многократное отражение оптического излучения от поверхности сцинтиллятора и выход оптического излучения на фотоприемник под произвольными углами приводят к увеличению эффективных размеров сцинтиллятора и ухудшению радиационной стойкости сцинтиллятора.Note that multiple reflection of optical radiation from the surface of the scintillator and the output of optical radiation to the photodetector at arbitrary angles lead to an increase in the effective dimensions of the scintillator and a deterioration in the radiation resistance of the scintillator.
Таким образом, техническая проблема состоит в разработке способа определения динамических и интегральных по времени характеристик высокодозных полей тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, действующих на объекты испытаний в более широком диапазоне исследуемых доз.Thus, the technical problem is to develop a method for determining the dynamic and time-integrated characteristics of high-dose fields of bremsstrahlung or gamma radiation from powerful pulsed sources acting on test objects in a wider range of investigated doses.
Технический результат состоит в обеспечении возможности повышения измеряемой дозы в более широком диапазоне.The technical result consists in providing the possibility of increasing the measured dose in a wider range.
Более развернуто, технический результат может выглядеть следующим образом: увеличение до 100 раз и более верхнего измеряемого предела дозы (свыше 1 кГр) и мощности дозы при регистрации гамма-излучения или ТИ за счет подбора или, иными словами, создания возможности подстраивать толщину сцинтиллятора, обеспечивающую прозрачность для собственного оптического излучения, под конкретную ожидаемую дозу при сохранении в целом амплитуды отклика детектора.In more detail, the technical result may look as follows: an increase up to 100 times or more of the upper measurable dose limit (over 1 kGy) and dose rate when registering gamma radiation or TI due to the selection or, in other words, the creation of the ability to adjust the thickness of the scintillator, providing transparency for intrinsic optical radiation, for a specific expected dose while maintaining the overall detector response amplitude.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа измерения верхнего предела интегральных и динамических характеристик высокоэнергетичных тормозного или гамма-излучений мощных импульсных источников, в котором обеспечивают генерацию оптического излучения при воздействии высокоэнергетичного излучения на сцинтиллятор сцинтилляционного детектора, преобразование оптического излучения на фотоприемнике (ФП) в токовый импульс и последующую регистрацию токового импульса, сцинтиллятор детектора обладает свойством обратимой радиационной потери прозрачности при импульсном облучении, для обеспечения повышения верхнего измеряемого предела при определении интегральных и динамических характеристик излучений учитывают экспериментальный коэффициент начальной обратимой радиационной потери прозрачности γto в предложенном способе оценивают диапазон ожидаемых поглощенных доз; формируют требуемые условия взаимодействия излучения со сцинтиллятором и условия преобразования оптического излучения ФП, для чего обеспечивают однократное прохождение оптического излучения в сцинтилляторе посредством исключения отражения излучения путем зачернения торцов сцинтиллятора, кроме торца, обращенного к ФП; с помощью задания положения ФП на удалении от сцинтиллятора фиксируют предполагаемый интервал углов вылета оптического излучения из сцинтиллятора, позволяющий обеспечить пробег оптического излучения в сцинтилляторе, равный толщине сцинтиллятора t, либо однозначно связанный с толщиной сцинтиллятора t; задают коэффициент объемного уменьшения прозрачности сцинтиллятора в соответствии с соотношениемThis technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known method for measuring the upper limit of the integral and dynamic characteristics of high-energy bremsstrahlung or gamma-rays of powerful pulsed sources, in which they provide generation of optical radiation when high-energy radiation is exposed to the scintillator of a scintillation detector, conversion of optical radiation on a photodetector ( FP) into a current pulse and the subsequent registration of a current pulse, the scintillator of the detector has the property of reversible radiation transparency loss during pulsed irradiation, to ensure an increase in the upper measurable limit when determining the integral and dynamic characteristics of radiation, the experimental coefficient of the initial reversible radiation transparency loss γ to is taken into account in the proposed method. the range of expected absorbed doses; form the required conditions for the interaction of radiation with the scintillator and the conditions for the conversion of optical radiation of the FP, for which they provide a single passage of optical radiation in the scintillator by excluding radiation reflection by blackening the ends of the scintillator, except for the end facing the FP; by specifying the position of the FP at a distance from the scintillator, the estimated interval of angles of emission of optical radiation from the scintillator is fixed, which makes it possible to ensure the range of optical radiation in the scintillator, equal to the thickness of the scintillator t, or uniquely related to the thickness of the scintillator t; set the coefficient of the volumetric reduction of the transparency of the scintillator in accordance with the ratio
где D - ожидаемая поглощенная доза в пределах диапазона;where D is the expected absorbed dose within the range;
определяют толщину сцинтиллятора t; повышение верхнего измеряемого предела интегральных и динамических характеристик обеспечивают посредством выбора определенной из вышеназванной последовательности действий толщины сцинтиллятора, осуществляя подстраивание толщины под дозу, причем в соответствии с заданным диапазонам доз верхней максимальной дозе соответствует найденная в соответствии с заявленной последовательностью действий толщина сцинтиллятора, нижняя доза ограничена чувствительностью детектора.determine the thickness of the scintillator t; an increase in the upper measurable limit of integral and dynamic characteristics is provided by choosing a scintillator thickness determined from the above sequence of actions, adjusting the thickness to the dose, and in accordance with the specified dose ranges, the upper maximum dose corresponds to the scintillator thickness found in accordance with the declared sequence of actions, the lower dose is limited by sensitivity detector.
Кроме того, в конкретном варианте реализации заявляемого способа сцинтиллятор детектора может быть изготовлен на основе полистирола, содержащего в качестве сцинтиллирующих добавок паратерфенил и РОРОР.In addition, in a specific embodiment of the proposed method, the scintillator of the detector can be made on the basis of polystyrene containing paraterphenyl and POPOP as scintillating additives.
Кроме того, при конкретной реализации способ может отличаться тем, чтоIn addition, with a specific implementation, the method may differ in that
- удаленное положение ФП от сцинтиллятора достигается использованием воздушного световода, ориентированного перпендикулярно или под тупым углом к падающему излучению;- the remote position of the FP from the scintillator is achieved by using an air fiber oriented perpendicularly or at an obtuse angle to the incident radiation;
-при этом параметры световода выбирают, исходя из необходимости вывода ФП из пятна гамма-излучения или ТИ и малости угла пролета оптического излучения вдоль относительно оси световода, что обеспечивает фиксацию интервала углов вылета оптического излучения из сцинтиллятора.- in this case, the parameters of the fiber are selected based on the need to remove the PD from the spot of gamma radiation or TI and the smallness of the angle of flight of optical radiation along the axis of the fiber, which ensures the fixation of the interval of angles of emission of optical radiation from the scintillator.
Способ измерения верхнего предела интегральных и динамических характеристик может отличаться тем, что стенки световода обладают определенной отражательной способностью, что позволяет увеличить чувствительность системы.The method for measuring the upper limit of the integral and dynamic characteristics may differ in that the walls of the fiber have a certain reflectivity, which makes it possible to increase the sensitivity of the system.
Способ измерения верхнего предела интегральных и динамических характеристик в конкретной реализации может отличаться тем, что дополнительно в начале световода производится зачернение внутренней поверхности, например, с помощью черной бумаги, высота которой определяется из условия обеспечения малости угла пролета оптического излучения вдоль оси световода. Это обеспечивает сохранение временного разрешения детектора.The method for measuring the upper limit of the integral and dynamic characteristics in a particular implementation may differ in that, in addition, at the beginning of the fiber, the inner surface is blackened, for example, using black paper, the height of which is determined from the condition that the angle of flight of the optical radiation along the fiber axis is small. This ensures that the temporal resolution of the detector is preserved.
Таким образом, данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа для повышения верхней измеряемой дозы авторами предлагается усовершенствовать способ в направлении выбора толщины пластмассы в сторону ее уменьшения, то есть использовать значительное уменьшение толщины пластмассы. Для получения критерия выбора толщины пластмассы следует изменить условия выхода оптического излучения из сцинтиллятора. Эти изменения нужны, как будет показано далее, для получения однозначной связи пробега оптического излучения в сцинтилляторе с толщиной сцинтиллятора и сохранения временного разрешения детектора.Thus, this technical result is achieved in that, in contrast to the known method for increasing the upper measurable dose, the authors propose to improve the method in the direction of choosing the thickness of the plastic in the direction of its reduction, that is, to use a significant reduction in the thickness of the plastic. To obtain the criterion for choosing the thickness of the plastic, it is necessary to change the conditions for the exit of optical radiation from the scintillator. These changes are needed, as will be shown below, to obtain an unambiguous relationship between the range of optical radiation in the scintillator and the scintillator thickness and preserve the temporal resolution of the detector.
Предлагаемые нами изменения заключаются в следующем.The changes we propose are as follows.
Во-первых, исключается отражение оптического излучения внутри сцинтиллятора и обеспечивается однократное прохождение оптического излучения через сцинтиллятор. Для этого все торцы сцинтиллятора, кроме выходного, подвергаются зачернению.First, the reflection of optical radiation inside the scintillator is excluded and a single passage of optical radiation through the scintillator is ensured. For this, all ends of the scintillator, except for the output one, are blackened.
Во-вторых, вылет оптического излучения из сцинтиллятора должен осуществляться в малом или фиксированном интервале углов относительно его оси.Second, the emission of optical radiation from the scintillator should be carried out in a small or fixed range of angles relative to its axis.
Для обеспечения вылета оптического излучения в фиксированном интервале углов используется удаление ФП от сцинтиллятора в сторону, перпендикулярную направлению распространения гамма- или тормозного излучения. Используется воздушный цилиндрический световод, обеспечивающий наиболее высокую радиационную стойкость (и, естественно, защиту от внешнего светового воздействия). Другим преимуществом удаления и использования световода является вывод ФП из области воздействия ТИ. Длина световода L должна обеспечивать вывод ФП из пятна гамма-излучения или ТИ.To ensure the emission of optical radiation in a fixed range of angles, the PC is removed from the scintillator in the direction perpendicular to the direction of propagation of gamma or bremsstrahlung radiation. An air cylindrical light guide is used, which provides the highest radiation resistance (and, naturally, protection from external light exposure). Another advantage of removing and using the light guide is the removal of the PC from the TI region. The length of the fiber L should ensure the output of the PD from the spot of gamma radiation or TI.
Поясним параметры распространения оптического излучения в световоде и сцинтилляторе. Оптическое излучение выводится вдоль оси световода под малыми углами к его оси. Малый угол обеспечивается выбором диаметра световода d исходя из условияLet us explain the parameters of propagation of optical radiation in a fiber and a scintillator. Optical radiation is emitted along the fiber axis at small angles to its axis. A small angle is provided by the choice of the fiber diameter d based on the condition
где L, d - длина и диаметр световода. (Диаметр ФП примерно равен или несколько меньше диаметра световода.)where L, d are the length and diameter of the fiber. (The PD diameter is approximately equal to or slightly smaller than the fiber diameter.)
В итоге должен обеспечиваться малый угол прохождения оптического излучения, для которого примем следующие условияAs a result, a small angle of transmission of optical radiation should be ensured, for which we accept the following conditions
Стенки световода могут быть как черными, так и обладать определенной отражательной способностью. Отражение оптического излучения позволяет повысить телесный угол вылета оптического излучения и чувствительность системы.The walls of the fiber can be either black or have a certain reflectivity. Reflection of optical radiation makes it possible to increase the solid angle of emission of optical radiation and the sensitivity of the system.
В случае наличия отражательной способности стенок световода необходимо исключить возможность попадания на ФП оптического излучения, отраженного от стенок световода под большими углами. Для этого, например, стенки световода вблизи сцинтиллятора обкладываются черной бумагой. Подбором длины черной бумаги обеспечивается малый угол прохождения оптического излучения с условием (9), что эквивалентно следующемуIf the reflectivity of the fiber walls is present, it is necessary to exclude the possibility of optical radiation reflected from the fiber walls at large angles on the PC. For this, for example, the walls of the fiber near the scintillator are covered with black paper. The selection of the length of black paper provides a small angle of transmission of optical radiation with condition (9), which is equivalent to the following
где h - высота черной бумаги в световоде,where h is the height of the black paper in the fiber,
d - внутренний диаметр световода.d is the inner diameter of the fiber.
Время пролета оптического излучения по воздушному световоду составляетThe time of flight of optical radiation through an air fiber is
где с - скорость света.where c is the speed of light.
Условия для угла вылета оптического излучения из сцинтиллятора (9) обеспечивает практическое отсутствие временного размытия оптического излучения по световоду, которое определяется формулойThe conditions for the angle of emission of optical radiation from the scintillator (9) ensure the practical absence of time smearing of optical radiation along the fiber, which is determined by the formula
В случае совпадения оси сцинтиллятора с осью световода это же условие (9) с запасом обеспечивает условие для пробега оптического излучения в сцинтиллятореIf the scintillator axis coincides with the fiber axis, the same condition (9) with a margin provides the condition for the optical radiation path in the scintillator
где ϑ' - угол падения оптического излучения на поверхность сцинтиллятора.where ϑ 'is the angle of incidence of optical radiation on the scintillator surface.
Дело в том, что угол падения оптического излучения на поверхность сцинтиллятора ϑ' всегда меньше угла вылета ϑ в силу известного из геометрической оптики закона преломления света. Для полистирола показатель преломления n=1.59.The fact is that the angle of incidence of optical radiation on the surface of the scintillator ϑ 'is always less than the departure angle ϑ due to the law of light refraction known from geometric optics. For polystyrene, the refractive index is n = 1.59.
Отметим, что при импульсной ионизации сцинтиллятора возможно уменьшение коэффициента преломления. У авторов нет достоверных сведений об этом процессе. Но при этом условие (13) не меняется.Note that a decrease in the refractive index is possible with pulsed ionization of the scintillator. The authors have no reliable information about this process. However, condition (13) does not change in this case.
Вместе все принятые меры позволяют фиксировать пробег оптического излучения в сцинтилляторе, практически равным толщине сцинтиллятора, и не ухудшить временное разрешение детектора.Together, all the measures taken make it possible to fix the range of optical radiation in the scintillator, which is practically equal to the thickness of the scintillator, and not to degrade the temporal resolution of the detector.
Критерий толщины пластмассы, при котором радиационная потеря прозрачности является незначительной, получается на основе использования коэффициента начальной обратимой радиационной потери прозрачности γt0. Процесс получения критерия следующий.The criterion for the thickness of the plastic, at which the radiation loss of transparency is insignificant, is obtained on the basis of using the coefficient of the initial reversible radiation loss of transparency γ t0 . The process for obtaining the criterion is as follows.
Из соотношения (4) выводится коэффициент объемного уменьшения прозрачности пластмассы, равный:From the ratio (4), the coefficient of the volumetric reduction in the transparency of the plastic is derived, which is equal to:
где D - доза в пластмассе за импульс,where D is the dose in plastic per pulse,
Объемный коэффициент (14) получен в предположении однократного прохождения оптического излучения по сцинтиллятору.The volume coefficient (14) was obtained under the assumption of a single passage of optical radiation through the scintillator.
Для прозрачного сцинтиллятора Kv=1. Принимаем допустимое уменьшение коэффициента Kv до значения 0.95, то есть уменьшение η=5%. Допустимое уменьшение коэффициента Kv-η=5% или другое значение выбираются из требований конкретного эксперимента. Далее численно решается на ПЭВМ уравнениеFor a transparent scintillator, K v = 1. We accept a permissible decrease in the K v coefficient to a value of 0.95, that is, a decrease in η = 5%. The permissible decrease in the coefficient Kv-η = 5% or another value is selected from the requirements of a particular experiment. Next, the equation is numerically solved on a PC
относительно х, получается значение х=0.103. Пробег оптического излучения, при котором импульсное уменьшение прозрачности сцинтиллятора составляет не более 5%, определяется из равенстваwith respect to x, the value x = 0.103 is obtained. The range of optical radiation, at which the pulsed decrease in the transparency of the scintillator is no more than 5%, is determined from the equality
Потеря прозрачности в 5% - это потеря при дозе после окончания импульса воздействия. В течение импульса воздействия коэффициент Kv постепенно уменьшает свое значение, так как μ меняет свое значение в соответствии с (5). В начальные моменты и в середине импульса воздействия детектор более точно измеряет параметры излучения, чем в конце импульса. По этой причине доза и длительность измеряются с лучшей погрешностью по сравнению с заданной для коэффициента Kv.The 5% loss of transparency is the dose loss after the end of the exposure pulse. During the impulse of action, the coefficient K v gradually decreases its value, since μ changes its value in accordance with (5). At the initial moments and in the middle of the exposure pulse, the detector measures the radiation parameters more accurately than at the end of the pulse. For this reason, the dose and duration are measured with a better error than the specified for the K v coefficient.
В случае совпадения оси сцинтиллятора с осью световода толщина сцинтиллятора определяется из условияIf the scintillator axis coincides with the fiber axis, the scintillator thickness is determined from the condition
Принятый косинус угла вылета оптического излучения, превышающий значение 0.95, может привести к потере прозрачности сцинтиллятора до значения в 5.25%, что практически близко к исходному.The accepted cosine of the emission angle of optical radiation, exceeding the value of 0.95, can lead to the loss of the scintillator transparency up to 5.25%, which is practically close to the initial one.
При малых ослаблениях света коэффициент Kv линейно зависит от пробега оптического излучения, а также параметров γt0, D и их произведения. Это также означает устойчивость коэффициента Kv к погрешности и возможным изменениям коэффициента γt0, в отличии от прототипа. При η=5% перенос погрешности γt0, D составляет 1/20. Например, если погрешность коэффициента γt0 составляет 10%, то это может привести к изменению η с 5% до 5.5%, что допустимо в большинстве случаев. Если значение дозы на детекторе (или коэффициент γt0 для какого - либо типа пластмассы) превысили ожидаемые значения в два раза, то это приводит к изменению η с 5% до 10%, что также допустимо во многих случаях.At low light attenuation, the coefficient K v linearly depends on the path of optical radiation, as well as the parameters γ t0 , D and their product. This also means the stability of the coefficient K v to errors and possible changes in the coefficient γ t0 , in contrast to the prototype. At η = 5%, the transfer of the error γ t0 , D is 1/20. For example, if the error of the coefficient γ t0 is 10%, then this can lead to a change in η from 5% to 5.5%, which is acceptable in most cases. If the value of the dose on the detector (or the coefficient γ t0 for some type of plastic) has doubled the expected values, then this leads to a change in η from 5% to 10%, which is also acceptable in many cases.
Тем не менее, под приводимыми ожидаемыми значениями доз следует понимать дозу на верхнем пределе диапазона.However, the expected dose values given should be understood to mean the dose at the upper end of the range.
В таблице приведены значения толщин пластмассового сцинтиллятора, при которых уменьшение прозрачности, то есть уменьшение коэффициента Kv (14) не более 5%, для разных значений доз.The table shows the values of the thickness of the plastic scintillator, at which the decrease in transparency, that is, the decrease in the coefficient K v (14) is no more than 5%, for different values of doses.
Возможность регистрации отклика детектора при значительном уменьшении толщины пластмассы основана на соотношениях между толщиной пластмассы t и дозой D (16), (17), из которых следует, чтоThe possibility of recording the response of the detector with a significant decrease in the thickness of the plastic is based on the relationship between the thickness of the plastic t and the dose D (16), (17), from which it follows that
При этом выход оптического излучения, рождаемого в сцинтилляторе, пропорционален энергии, оставленной гамма-излучением в сцинтилляторе:In this case, the yield of optical radiation generated in the scintillator is proportional to the energy left by gamma radiation in the scintillator:
где m, ρ, V, S - соответственно масса, плотность, объем и площадь сечения сцинтиллятора.where m, ρ, V, S are the mass, density, volume and cross-sectional area of the scintillator, respectively.
То есть из требования сохранения прозрачности сцинтиллятора и свойств коэффициентов потери прозрачности следует, что с одновременным уменьшением толщины сцинтиллятора (и уменьшением чувствительности детектора) и ростом дозы выход оптического излучения не уменьшается. А это означает примерное сохранение амплитуды отклика с детектора и возможность его регистрации.That is, from the requirement to preserve the transparency of the scintillator and the properties of the transparency loss coefficients, it follows that with a simultaneous decrease in the scintillator thickness (and a decrease in the detector sensitivity) and an increase in the dose, the output of optical radiation does not decrease. And this means an approximate preservation of the amplitude of the response from the detector and the possibility of its registration.
На фиг. 1-3 приведены варианты расположения пленочного сцинтиллятора в световоде, где 1 - сцинтиллятор, 2 - световод для передачи оптического излучения к ФП, 3 - черная бумага, 4 - зеркало.FIG. 1-3 shows the options for the location of the film scintillator in the fiber, where 1 is the scintillator, 2 is the fiber for transmitting optical radiation to the FP, 3 is black paper, 4 is the mirror.
Схема измерений с помощью детектора СД-пл в целом приведена на фиг. 4, где 5 - ФП, 6 - кабель передачи токового импульса к регистратору.The scheme of measurements with the SD-pl detector is shown in general in Fig. 4, where 5 - FP, 6 - current pulse transmission cable to the recorder.
На фиг. 5 приведена осциллограмма импульса с детектора СД-пл.FIG. 5 shows the oscillogram of the pulse from the SD-pl detector.
Остановимся на значении дозы, близкой к максимальному значению для ЛИУ-30. Из таблицы следует, что импульсное воздействие ТИ с дозой 1 кГр (100 крад) возможно измерять сцинтилляционным детектором с толщиной пластмассы 160 мкм. Данная толщина определяется в соответствие с вышеописанной процедурой задания параметра уменьшения прозрачности сцинтиллятора η=5% и решения уравнения (15), включающего в себя объемный коэффициент ослабления оптического излучения Kv. Назовем предлагаемый детектор СД-пл (пленочный). Используемая нами пленка полистирола с толщинами несколько сот микрон является продуктом вытяжки нагретого полистирола. Полистирол содержит в качестве сцинтиллирующих добавок паратерфенил и РОРОР. Конкретно использованный сцинтилляционный детектор содержит пленочный сцинтиллятор в виде диска ∅2 см × 180 мкм. (Толщина получена при изготовлении, она несколько больше расчетной толщины 160 мкм и приводит к уменьшению прозрачности сцинтиллятора до 5.6%, что является допустимым увеличением.) Торцы сцинтиллятора были зачернены, кроме торца, обращенного к ФП. Сцинтиллятор помещен в алюминиевый воздушный световод длиной 65 см с толщиной стенок не более 1 мм, на другом конце которого находится ФП. Длина световода практически обеспечивает вывод ФП из зоны воздействия пучка ТИ. При удалении ФП от ЧЭ максимально снижается фоновая светимость стекол в ФП под действием рассеянного ТИ. Эта светимость может иметь значение при субмиллиметровых толщинах сцинтиллятора. Вблизи сцинтиллятора стенки световода обкладываются черной бумагой длиной 10 см.Let us dwell on the dose value close to the maximum value for LIU-30. It follows from the table that the pulsed action of TI with a dose of 1 kGy (100 krad) can be measured with a scintillation detector with a plastic thickness of 160 μm. This thickness is determined in accordance with the above procedure for setting the parameter for reducing the transparency of the scintillator η = 5% and solving equation (15), including the volumetric attenuation coefficient of optical radiation K v . Let's call the proposed detector SD-pl (film). The polystyrene film used by us with a thickness of several hundred microns is a product of heated polystyrene drawing. Polystyrene contains paraterphenyl and POPOP as scintillating additives. The particular scintillation detector used comprises a 2 cm × 180 µm disc-shaped film scintillator. (The thickness was obtained during manufacture, it is slightly greater than the calculated thickness of 160 μm and leads to a decrease in the transparency of the scintillator to 5.6%, which is a permissible increase.) The ends of the scintillator were blackened, except for the end facing the PC. The scintillator is placed in an aluminum air fiber 65 cm long with a wall thickness of no more than 1 mm, at the other end of which there is a PC. The length of the fiber practically ensures the extraction of the PC from the zone of exposure to the TI beam. As the PC moves away from the SE, the background luminosity of glasses in the PC is maximally reduced under the action of the scattered TI. This luminosity can be significant at submillimeter scintillator thicknesses. Near the scintillator, the walls of the fiber are covered with black paper 10 cm long.
Время пролета оптического излучения по данному световоду составляет ΔТ=2.1 не. Обеспечение условия для угла вылета оптического излучения cosϑ>0.95 приводит с учетом отражений на стенках световода к размытию времени пролета на величину, не превышающуюThe time of flight of optical radiation through this fiber is ΔТ = 2.1 nsec. Providing the condition for the emission angle of optical radiation cosϑ> 0.95 leads, taking into account reflections on the fiber walls, to blur the time of flight by an amount not exceeding
что является приемлемым для данных измерений.which is acceptable for the measured data.
Наличие отражений на стенках световода повышает чувствительность детектора, но не ухудшает его временного разрешения.The presence of reflections on the walls of the fiber increases the sensitivity of the detector, but does not impair its temporal resolution.
Варианты расположения пленочного сцинтиллятора в световоде приведены на фиг.1-3. Для уменьшения поперечных габаритов детектора сцинтиллятор может располагаться вдоль оси трубы-световода, при этом оптическое излучение перерассеивается на ФП с помощью тонкого металлического зеркала, фиг.2, а также под углом к световоду, фиг. 3Variants of the arrangement of the film scintillator in the light guide are shown in Figs. 1-3. To reduce the transverse dimensions of the detector, the scintillator can be located along the axis of the fiber-optic tube, while the optical radiation is re-scattered to the PD using a thin metal mirror, FIG. 2, and also at an angle to the fiber, FIG. 3
При установке сцинтиллятора под углом в 45° толщина сцинтиллятора, обеспечивающая прозрачность сцинтиллятора, определяется условием (16) с дополнительным коэффициентом, определяемым углами прохождения оптического излучения в световоде:When the scintillator is installed at an angle of 45 °, the scintillator thickness, which ensures the transparency of the scintillator, is determined by condition (16) with an additional coefficient determined by the angles of transmission of optical radiation in the fiber:
Схема измерений с помощью детектора с пленочным сцинтиллятором СД-пл в целом приведена на фиг.4.The scheme of measurements using a detector with a film scintillator SD-PL is shown in general in Fig. 4.
Предлагаемый детектор СД-пл был отработан в измерениях на ЛИУ-30. На фиг.5 приведена осциллограмма с детектора СД-пл. Были проведены также фоновые измерения, в которых в детекторе отсутствовал сцинтиллятор. Сравнение фоновой и рабочей осциллограммы показывает, что отклик детектора СД-пл связан именно с эффектом в сцинтилляторе. Вклад фоновых компонентов составляет менее 5%. В том числе расчетная оценка вклада свечения воздуха составляет 1.4%.The proposed SD-pl detector was tested in measurements at LIU-30. Figure 5 shows an oscillogram from the detector SD-pl. Background measurements were also carried out, in which there was no scintillator in the detector. Comparison of the background and working oscillograms shows that the response of the SD-pl detector is associated precisely with the effect in the scintillator. The contribution of background components is less than 5%. Including the calculated estimate of the contribution of the air glow is 1.4%.
Проведенные измерения показывают работоспособность детектора при импульсных поглощенных дозах вплоть до ~1 кГр. Детектор СД-пл может измерять дозы ТИ, реализуемые на поверхности мишени ЛИУ-30 и меньшие значения доз на удалении от мишени. Временного разрешения детектора в несколько наносекунд достаточно для регистрации временных зависимостей характеристик ТИ длительностью – 20 нс. Характеристики регистрируемых излучений определяются на основе чувствительности детектора, исходя из конкретной редакции измерений.The measurements carried out show the efficiency of the detector at pulsed absorbed doses up to ~ 1 kGy. The SD-pl detector can measure TI doses delivered on the surface of the LIU-30 target and smaller dose values at a distance from the target. The detector's temporal resolution of several nanoseconds is sufficient to record the temporal dependences of the characteristics of the TI with a duration of 20 ns. The characteristics of the registered radiation are determined based on the sensitivity of the detector, based on a specific edition of measurements.
Данный сцинтиллятор на основе полистирола является отработанным сцинтиллятором. Работа с пленками из полистирольного сцинтиллятора является технологичной. Достигаемое нами увеличение верхнего измеряемого предела является достаточным для измерений на ускорителе ЛИУ-30.This polystyrene scintillator is a waste scintillator. Working with films from a polystyrene scintillator is technologically advanced. The increase in the upper measurable limit achieved by us is sufficient for measurements at the LIU-30 accelerator.
Заявляемый способ измерения верхнего предела может быть применим к другим пластмассам, которые обладают свойством импульсной обратимой потери прозрачности.The inventive method for measuring the upper limit can be applied to other plastics that have the property of pulsed reversible loss of transparency.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВLIST OF USED SOURCES
1. Павловский А.И., Босамыкин B.C., Герасимов А.И., Тананакин B.A., Федоткин А.С., Морунов K.A., Басманов В.Ф., Скрипка Г.М., Тарасов А.Д., Гордеев B.C., Гришин A.B., Анфиногенов В.Я., Грицына В.П., Аверченков В.Я., Лазарев С.А., Горкунов B.C., Вересов В.П., Кошелев А.С, Одинцов Ю.М. Мощный линейный импульсный ускоритель пучка электронов на радиальных линиях ЛИУ-30. ПТЭ, №2, 1998 г. - С. 13-25.1. Pavlovsky A.I., Bosamikin BC, Gerasimov A.I., Tananakin BA, Fedotkin A.S., Morunov KA, Basmanov V.F., Skripka G.M., Tarasov A.D., Gordeev BC, Grishin AB, Anfinogenov V.Ya., Gritsyna V.P., Averchenkov V.Ya., Lazarev S.A., Gorkunov VS, Veresov V.P., Koshelev A.S, Odintsov Yu.M. Powerful linear pulsed electron beam accelerator on radial lines LIU-30. PTE, No. 2, 1998 - S. 13-25.
2. Моделирующие и облучательные комплексы и установки РФЯЦ-ВНИИЭФ. Завьялов Н.В., Гордеев B.C., Савченко В.А., Грунин А.В. и др. // Физика и техника высоких плотностей энергии: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011. - С. 165-191.2. Modeling and irradiation complexes and installations RFNC-VNIIEF. Zavyalov N.V., Gordeev B.C., Savchenko V.A., Grunin A.V. et al. // Physics and technology of high energy densities: FGUP RFNC-VNIIEF, 2011. - pp. 165-191.
3. Средства диагностики однократного импульсного излучения. Сб. Трудов НИИИТ. Составители Веретенников А.И., Даниленко К.Н. М., ИздАТ.1999. 250 с.3. Diagnostic tools for single pulse radiation. Sat. Proceedings of NIIIT. Compiled by A.I. Veretennikov, K.N. Danilenko M., IzdAT. 1999. 250 s.
4. Веретенников А.И., Горбачев В.М., Предеин Б.А. Методы исследования импульсных излучений. М, Энергоатомиздат, 1985.4. Veretennikov A.I., Gorbachev V.M., Predein B.A. Research methods of pulsed radiation. M, Energoatomizdat, 1985.
5. Е.Д. Береговенко, В.М. Горбачев, Н.А. Уваров. О радиационной стойкости сцинтиллирующих пластмасс. Атом. Энергия. 1973. Т. 34. Вып. 2. С. 124.5. E. D. Berehovenko, V.M. Gorbachev, N.A. Uvarov. On the radiation resistance of scintillating plastics. Atom. Energy. 1973. T. 34. 2.P. 124.
6. Горбачев В.М., Семенов В.И., Гуров Г.А. Радиационная стойкость пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола при импульсном облучении. ПТЭ №1, стр. 46-52, 2000 г.6. Gorbachev V.M., Semenov V.I., Gurov G.A. Radiation resistance of a plastic scintillator based on polystyrene under pulsed irradiation. PTE No. 1, pp. 46-52, 2000
7. Голубев Б.П., Дозиметрия и защита от ионизирующего излучения. М., Атомиздат, 1976.7. Golubev BP, Dosimetry and protection against ionizing radiation. M., Atomizdat, 1976.
8. Патент RU 2577088 С2, Рыкалин В.И., ИФВЭ, 2015.8. Patent RU 2577088 C2, Rykalin V.I., IHEP, 2015.
9. Патент RU 2150128 С1, Сурин Н.М., НИФХТИ им. Л.Я. Карпова, 1999 г.9. Patent RU 2150128 C1, Surin N.M., L. Ya. Karpov, 1999
10. Патент RU 2388017 С1, Артамонова Э.В., СНИИП-КОНВЭЛ, 2009.10. Patent RU 2388017 C1, Artamonova E.V., SNIIP-KONVEL, 2009.
11. Ю.Я. Нефедов, П.Л. Усенко "Сцинтилляционный детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения", ПТЭ, 2016, N1, с. 113-117.11. Yu. Ya. Nefedov, P.L. Usenko "Scintillation detector of pulsed soft X-ray radiation", PTE, 2016, N1, p. 113-117.
12. Патент RU 2643219 С1, Репьев А.Г., Покровский B.C., Репин П.Б., Ибрагимов М.Ш., ВНИИЭФ, 2017.12. Patent RU 2643219 C1, Repyev A.G., Pokrovsky B.C., Repin P.B., Ibragimov M.Sh., VNIIEF, 2017.
13. IEEE Transaction. "Transient nonlinear response of plastic scintillators", J. Stevens and R.B. Knowlen. Volume NS-15, No. 3, 1968, p. 136-143.13. IEEE Transaction. "Transient nonlinear response of plastic scintillators", J. Stevens and R.B. Knowlen. Volume NS-15, No. 3, 1968, p. 136-143.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021104191A RU2758419C1 (en) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Method for measuring the upper limit of integral and dynamic characteristics of high-energy brake or gamma radiations of powerful pulse sources |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021104191A RU2758419C1 (en) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Method for measuring the upper limit of integral and dynamic characteristics of high-energy brake or gamma radiations of powerful pulse sources |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2758419C1 true RU2758419C1 (en) | 2021-10-28 |
Family
ID=78466602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021104191A RU2758419C1 (en) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Method for measuring the upper limit of integral and dynamic characteristics of high-energy brake or gamma radiations of powerful pulse sources |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2758419C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2775538C1 (en) * | 2021-11-24 | 2022-07-04 | Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method for determining the effective thickness of the radiation monitor scintillator |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2297647C1 (en) * | 2005-11-14 | 2007-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method for evaluating characteristics of high-power pulse source hard gamma-rays |
| RU2317571C1 (en) * | 2006-07-11 | 2008-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method and system for evaluating bremsstrahlung or high-energy gamma-rays of high-power pulse sources |
| RU2473927C2 (en) * | 2011-05-05 | 2013-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" | Method of measuring energy spectra of pulsed gamma radiation |
| US20170115405A1 (en) * | 2015-10-23 | 2017-04-27 | Siemens Healthcare Gmbh | X-ray detector and/or gamma detector with light bias |
-
2021
- 2021-02-18 RU RU2021104191A patent/RU2758419C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2297647C1 (en) * | 2005-11-14 | 2007-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method for evaluating characteristics of high-power pulse source hard gamma-rays |
| RU2317571C1 (en) * | 2006-07-11 | 2008-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method and system for evaluating bremsstrahlung or high-energy gamma-rays of high-power pulse sources |
| RU2473927C2 (en) * | 2011-05-05 | 2013-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" | Method of measuring energy spectra of pulsed gamma radiation |
| US20170115405A1 (en) * | 2015-10-23 | 2017-04-27 | Siemens Healthcare Gmbh | X-ray detector and/or gamma detector with light bias |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2775538C1 (en) * | 2021-11-24 | 2022-07-04 | Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method for determining the effective thickness of the radiation monitor scintillator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gong et al. | Resolution tests of CsI (Tl) scintillators read out by pin diodes | |
| JP4061367B2 (en) | ZnS (Ag) scintillation detector | |
| JP6108394B2 (en) | Radiation energy distribution detection method and detection apparatus therefor | |
| CN110361773B (en) | Method for positioning neutron source position of neutron radiation field of unknown energy spectrum | |
| RU2758419C1 (en) | Method for measuring the upper limit of integral and dynamic characteristics of high-energy brake or gamma radiations of powerful pulse sources | |
| Wen et al. | Time resolution measurements of EJ-232Q with single-and dual-sided readouts | |
| JP2023048575A (en) | Radioactivity measuring device and radioactivity measuring method | |
| JP2012242369A (en) | Radiation detector | |
| McDonald et al. | Dosimetry for thin biological samples irradiated by nanosecond electron pulses of high intensity | |
| MacMahon et al. | Energy released by beta radiation following fission. Part I—235U data | |
| Yasuda et al. | Development of scintillation-light-transmission type phoswich detector for simultaneous alpha-and beta (gamma)-ray counting | |
| Watanabe | Detectors Using Radiation Induced Luminescence | |
| JP7397768B2 (en) | Radiation measurement device and radiation measurement method | |
| JP7223420B2 (en) | Temperature measuring device, temperature measuring method | |
| Feng et al. | Evaluation of plastic scintillating fibers coating technique for muon imaging detector using a Compton-coincidence-technique system | |
| Song et al. | Optimization of fast neutron and X-ray pulse shape discrimination (PSD) using an EJ276G scintillator in high radiation mixed conditions | |
| RU2300121C1 (en) | Mode of detection of direction to the source of fast neutrons | |
| Langeveld et al. | Lead tungstate and silicon photomultipliers for transmission Z-spectroscopy in cargo inspection systems | |
| Pourtangestani | Optimization of plastic scintillator thicknesses for online beta detection in mixed fields | |
| Maekawa et al. | Long scintillation detector using composite light guide for β-ray survey measurement | |
| Spector et al. | Scintillator fiber optic long counter response to neutrons from 0.5–15.1 MeV | |
| Bakalyarov et al. | An Analysis of the Light Yield in a Plastic Scintillator as a Function of the Electron Energy | |
| Bronson | Initial Performance Testing of Sri Gamma Spectroscopy Scintillators and Comparison to Other Improved-Resolution Detectors for Typical Health Physics Applications | |
| Kim et al. | Probe area effect on performance of phoswich detectors for simultaneous alpha and beta detection | |
| Milman et al. | Hardware for new methods of radiation control |