RU2818656C1

RU2818656C1 - Beta-sensitive fiber optic dosimetry system

Info

Publication number: RU2818656C1
Application number: RU2023124317A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич АЛЕКСЕЕВ; Сергей Геннадьевич Новиков; Алексей Валентинович Беринцев; Виктор Владимирович Приходько
Filing date: 2023-08-03
Publication date: 2024-05-03

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement of ionizing radiation using scintillation detectors and can be used in designing dosimetry systems and complexes. Beta-sensitive fiber-optic dosimetry system includes a scintillator integrating a sphere with a fiber output, transport optical fiber, photon counter and personal computer, wherein photons arising in the scintillator during interaction with electrons from a beta ionizing radiation source placed inside the integrating sphere are scattered by the sphere material and fall on its output port, connected by means of transport optical fiber with photon counter, signal from which by means of connecting cable is transmitted to personal computer, which is also connected to a vacuum sensor located at the inlet of the vacuum pump by means of a vacuum pipeline connected to the inner volume of the integrating sphere.

EFFECT: high accuracy of measuring output of beta-electrons from a metal source of arbitrary shape into angle of 4pi.

3 cl, 3 dwg

Description

Проблема измерений параметров бета-источников ионизирующего излучения, которые излучают в телесный угол 4π стерадиан, является достаточно сложной и требует решения при производстве таких источников, например, для радионуклидных элементов электрического питания.The problem of measuring the parameters of beta sources of ionizing radiation, which emit 4π steradians into a solid angle, is quite complex and requires a solution in the production of such sources, for example, for radionuclide electrical power elements.

Измерение параметров бета-источников в настоящее время осуществляется несколькими стандартными методами (ГОСТ 26306-84), среди которых можно отметить сцинтилляционный метод относительных измерений мощности поглощенной дозы (МПД) бета-излучения. Для относительных измерений МПД бета-излучения в материале, эквивалентном биологической ткани, и для изучения степени равномерности распределения МПД по поверхности источников различной конфигурации используют дозиметр со сцинтиллирующей пластмассой в качестве детектора. На дозиметр передают единицу МПД от установки с экстраполяционной камерой с помощью специально изготовленных плоских калиброванных источников. Для сведения к минимуму возникающих при этом погрешностей плоские калиброванные источники изготавливают по той же технологии, что и источники, подлежащие контролю, и с теми же радионуклидами.Measurement of the parameters of beta sources is currently carried out by several standard methods (GOST 26306-84), among which we can note the scintillation method of relative measurements of the absorbed dose rate (ADR) of beta radiation. For relative measurements of the MTD of beta radiation in a material equivalent to biological tissue, and to study the degree of uniformity of the MTD distribution over the surface of sources of various configurations, a dosimeter with scintillating plastic is used as a detector. A unit of MTD is transferred to the dosimeter from an installation with an extrapolation chamber using specially manufactured flat calibrated sources. To minimize the resulting errors, flat calibrated sources are manufactured using the same technology as the sources to be controlled and with the same radionuclides.

Однако, указанный метод не позволяет реализовать измерения для источников излучающих в телесный угол 4π стерадиан.However, this method does not allow measurements for sources emitting into a solid angle of 4π steradians.

Как было отмечено, в составе аппаратуры для реализации сцинтилляционного метода присутствует сцинтилляционный дозиметр.As noted, the equipment for implementing the scintillation method includes a scintillation dosimeter.

Сцинтилляционный дозиметр обычно включает в свой состав детектор, на основе сцинтиллятора (сцинтилляционного вещества), в котором ионизирующие частицы вызывают вспышку люминесценции, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий световую вспышку в импульс электрического тока, и электронную систему, регистрирующую эти электрические импульсы.A scintillation dosimeter usually includes a detector based on a scintillator (scintillation substance), in which ionizing particles cause a flash of luminescence, a photomultiplier tube (PMT), which converts the light flash into an electric current pulse, and an electronic system that records these electrical impulses.

Сцинтилляционные волоконные дозиметры известны, например, «Волоконно-оптический дозиметр» (AU 2006900427 ЕР 1987372 ЕР 2423711 AU 2007209775 JP 2009524835 WO/2007/085060 AU 2009245866 US 20100096540 JP 2011185955 US 20120037808). Устройство содержит последовательно соединенные сцинтиллятор, световод, фотоприемное устройство и преобразователь электрического сигнала с фотоприемного устройства в индикаторный сигнал интенсивности светового сигнала. Первый конец световода находится в оптическом контакте со сцинтиллятором, а второй конец - с фотоприемным устройством.Scintillation fiber dosimeters are known, for example, "Fiber optical dosimeter" (AU 2006900427 EP 1987372 EP 2423711 AU 2007209775 JP 2009524835 WO/2007/085060 AU 2009245866 US 2010009 6540 JP 2011185955 US 20120037808). The device contains a series-connected scintillator, a light guide, a photodetector device and a converter of the electrical signal from the photodetector device into an indicator signal of the intensity of the light signal. The first end of the light guide is in optical contact with the scintillator, and the second end is in optical contact with the photodetector.

Недостаток этого типа сцинтилляционных дозиметров заключаются в невозможности измерить параметры радионуклидного бета источника, испускающего электроны в телесный угол 4 л стерадиан.The disadvantage of this type of scintillation dosimeters is the inability to measure the parameters of a radionuclide beta source emitting electrons into a solid angle of 4 l steradians.

Также известен сцинтилляционный детектор большого объема для быстрой трехмерной визуализации доз в режиме реального времени при передовых методах лучевой терапии US 20160103227 A1. Устройство и способ измерения трехмерных распределений дозы облучения с высоким пространственным и временным разрешением с использованием сцинтиллятора большого объема. Сцинтиллятор преобразует распределение дозы излучения в распределение видимого света. Видимый свет передается на один или несколько фотодетекторов, которые измеряют интенсивность света. Световые сигналы обрабатываются для исправления оптических артефактов, и реконструируется трехмерное распределение света. Восстановленное распределение света подвергается последующей обработке для преобразования амплитуд света в измеренные дозы облучения. Высокое временное разрешение детектора позволяет наблюдать за эволюцией динамического распределения дозы по мере его изменения во времени. Интегральное распределение дозы может быть измерено путем суммирования дозы во времени.Also known is a large volume scintillation detector for fast, real-time 3D dose imaging in advanced radiotherapy US 20160103227 A1. A device and method for measuring three-dimensional radiation dose distributions with high spatial and temporal resolution using a large-volume scintillator. The scintillator converts the radiation dose distribution into a visible light distribution. Visible light is transmitted to one or more photodetectors, which measure the intensity of the light. The light signals are processed to correct optical artifacts, and the three-dimensional light distribution is reconstructed. The reconstructed light distribution is subjected to subsequent processing to convert light amplitudes into measured radiation doses. The high temporal resolution of the detector allows one to observe the evolution of the dynamic dose distribution as it changes over time. The cumulative dose distribution can be measured by summing the dose over time.

Недостатками рассмотренного изобретения является невозможность измерять выход бета-электронов из металлического бета-источника произвольной формы в угол 4π.The disadvantages of the considered invention is the inability to measure the yield of beta electrons from a metal beta source of arbitrary shape into an angle of 4π.

Для собирания световых вспышек от сцинтиллятора в большинстве случаев используется фотоприемное устройство, которое находится в оптическом контакте со сцинтиллятором.To collect light flashes from a scintillator, in most cases a photodetector is used, which is in optical contact with the scintillator.

Известно, что для исследования оптических характеристик источников света применяются интегрирующие сферы. Интегрирующая сфера представляет собой полую сферу, внутренняя стенка которой покрыта белым диффузно-отражающим материалом, также известным как фотометрическая сфера, сфера светового потока и т.д. На сферической стенке открыты одно или несколько оконных отверстий, которые используются как светоприемные отверстия и приемные отверстия для размещения светоприемных устройств. Внутренняя стенка интегрирующей сферы представляет собой хорошую сферическую поверхность, причем обычно требуется, чтобы ее отклонение от идеальной сферической поверхности не превышало 0,2% внутреннего диаметра. Внутренняя стенка сферы покрыта материалом с идеальным диффузным отражением, то есть материалом с коэффициентом диффузного отражения, близким к 1.It is known that integrating spheres are used to study the optical characteristics of light sources. The integrating sphere is a hollow sphere whose inner wall is coated with white diffuse reflective material, also known as photometric sphere, luminous flux sphere, etc. One or more window openings are open on the spherical wall, which are used as light receiving openings and receiving openings for placing light receiving devices. The inner wall of the integrating sphere is a good spherical surface, and it is usually required that its deviation from the ideal spherical surface does not exceed 0.2% of the internal diameter. The inner wall of the sphere is covered with a material with ideal diffuse reflection, that is, a material with a diffuse reflectance coefficient close to 1.

Обычно свет попадает в интегрирующую сферу через входное окно (порт). После многократных отражений внутри интегрирующей сферы свет будет однороден во всех ее точках.Typically, light enters the integrating sphere through an input window (port). After multiple reflections inside the integrating sphere, the light will be uniform at all its points.

Интегрирующие сферы могут быть использованы при проведении оптических исследований вспышек в сцинтилляторе в сцинтилляционных, в частности волоконных дозиметрических системах.Integrating spheres can be used when carrying out optical studies of flares in a scintillator in scintillation, in particular fiber, dosimetric systems.

В настоящее время известна оптоволоконная дозиметрическая система (RU 138047 U1) n, которая включает в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, соединенного посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения. При этом полимерное сцинтилляционное волокно расположено в несколько витков по окружности отверстия в корпусе сенсорного элемента, сквозь которое проходит исследуемый протяженный источник ионизирующего излучения, и зафиксировано выступами верхней и нижней крышки корпуса сенсорного элемента. Выходной торец полимерного сцинтилляционного волокна соединяется с транспортным оптическим волокном, а на свободный торец сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие. Пространственная селекция регистрируемого ионизирующего излучения обеспечивается металлической блендой, которая является частью корпуса сенсора, располагается выше и ниже витков сцинтилляционного волокна и перекрывает поток ионизирующего излучения от областей исследуемого протяженного источника ионизирующего излучения, расположенных за пределами интересующей области.Currently known is a fiber optic dosimetric system (RU 138047 U1) n, which includes a sensor element based on a polymer scintillation fiber connected via a transport optical fiber to a photodetector, the signal of which is processed using a microcontroller system and converted into activity values of a source of ionizing radiation. In this case, the polymer scintillation fiber is located in several turns around the circumference of the hole in the sensor element housing, through which the investigated extended source of ionizing radiation passes, and is fixed by the protrusions of the upper and lower covers of the sensor element housing. The output end of the polymer scintillation fiber is connected to the transport optical fiber, and a mirror reflective coating is applied to the free end of the scintillation fiber. Spatial selection of the recorded ionizing radiation is provided by a metal hood, which is part of the sensor housing, is located above and below the turns of the scintillation fiber and blocks the flow of ionizing radiation from the regions of the studied extended source of ionizing radiation located outside the region of interest.

Недостатком такой системы является невозможность измерить параметры радионуклидного бета-источника, испускающего электроны в телесный угол 4π стерадиан.The disadvantage of such a system is the inability to measure the parameters of a radionuclide beta source emitting electrons into a solid angle of 4π steradians.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является сферический нейтронный детектор (Пат. US 10126442 B2). В соответствии с описанием изобретения имеется детектор нейтронов, содержащий конверсионный слой, расположенный на внешней поверхности сферической сердцевины из материала, замедляющего нейтроны, при этом конверсионный слой содержит материал, поглощающий нейтроны, и люминофорный материал, при этом сферическая сердцевина расположена для приема фотонов, испускаемых люминофором конверсионного слоя, детектор нейтронов дополнительно содержит фотодетектор, оптически связанный со сферическим сердечником и предназначенный для обнаружения фотонов, испускаемых конверсионным слоем, при этом конверсионный слой снабжен диффузно отражающей поверхностью, ориентированной к центру сферического сердечника, предназначенного для диффузного отражения фотонов, испускаемых из преобразующего слоя, и при этом сферический сердечник предназначен для направления фотонов к фотодетектору.The closest to the proposed invention is a spherical neutron detector (Pat. US 10126442 B2). In accordance with the description of the invention, there is a neutron detector comprising a conversion layer located on the outer surface of a spherical core of a neutron moderating material, wherein the conversion layer contains a neutron absorbing material and a phosphor material, wherein the spherical core is located to receive photons emitted by the phosphor conversion layer, the neutron detector further comprises a photodetector optically coupled to the spherical core and designed to detect photons emitted by the conversion layer, wherein the conversion layer is equipped with a diffusely reflective surface oriented towards the center of the spherical core, designed to diffusely reflect photons emitted from the conversion layer, and wherein the spherical core is designed to direct the photons to the photodetector.

Цель изобретения - реализовать устройство, позволяющее измерять выход бета-электронов из металлического источника произвольной формы в угол 4π.The purpose of the invention is to implement a device that makes it possible to measure the yield of beta electrons from a metal source of arbitrary shape at an angle of 4π.

Технический результат: повышение точности измерения выхода бета-электронов из металлического источника произвольной формы в угол 4π.Technical result: increasing the accuracy of measuring the yield of beta electrons from a metal source of arbitrary shape into an angle of 4π.

Технический результат достигается за счет реализации интегрирующей сферы с волоконным выходом (1), при помощи транспортного оптического волокна (2), соединенной со счетчиком фотонов (3), подключенным к персональному компьютеру (4) (Фиг. 1). Внутри интегрирующей сферы расположен сцинтиллятор. Фотоны, возникающие в сцинтилляторе при взаимодействии с электронами от бета-источника ионизирующего излучения, помещенного внутрь интегрирующей сферы (1), рассеиваются материалом сферы и попадают на ее волоконный выход (2), соединенный посредством транспортного оптического волокна (3) со счетчиком фотонов (4), сигнал с которого посредством соединительного кабеля (5) передается на персональный компьютер (6), который также посредством кабеля (7) соединяется с вакуумным датчиком (8), расположенным на входе вакуумного насоса (9), посредством вакуумного трубопровода (10) соединенного с внутренним объемом интегрирующей сферы (1). Сцинтиллятор может быть в виде слоя (11) (Фиг. 2) равномерно нанесен на внутреннюю рассеивающую поверхность герметично закрывающейся интегрирующей сферы, а радиационный источник (12) закреплен внутри сферы на специальном держателе (13) или представлять собой отдельный контейнер (14) (Фиг. 3) для бета-источника ионизирующего излучения (12), повторяющий форму бета-источника ионизирующего излучения, помещенный внутрь интегрирующей сферы (1) и закрепленный внутри сферы на специальном держателе (13), а радиационный источник (12) вводится в полость контейнера (14).The technical result is achieved through the implementation of an integrating sphere with a fiber output (1), using a transport optical fiber (2), connected to a photon counter (3) connected to a personal computer (4) (Fig. 1). A scintillator is located inside the integrating sphere. Photons arising in the scintillator when interacting with electrons from a beta source of ionizing radiation placed inside the integrating sphere (1) are scattered by the material of the sphere and fall on its fiber output (2), connected through a transport optical fiber (3) to a photon counter (4 ), the signal from which is transmitted via a connecting cable (5) to a personal computer (6), which is also connected via a cable (7) to a vacuum sensor (8) located at the inlet of the vacuum pump (9), via a vacuum pipeline (10) connected with the internal volume of the integrating sphere (1). The scintillator can be in the form of a layer (11) (Fig. 2) uniformly applied to the internal scattering surface of a hermetically sealed integrating sphere, and the radiation source (12) is fixed inside the sphere on a special holder (13) or in the form of a separate container (14) (Fig. . 3) for a beta source of ionizing radiation (12), repeating the shape of a beta source of ionizing radiation, placed inside the integrating sphere (1) and fixed inside the sphere on a special holder (13), and the radiation source (12) is inserted into the cavity of the container ( 14).

Таким образом, все электроны, вылетающие из источника ионизирующего излучения в угол 4π, попадают в сцинтилляционный материал, в котором генерируются фотоны, число которых пропорционально энергии частиц. Присутствие вакуума внутри интегрирующей сферы снижает потери электронов и повышает вероятность их попадания в сцинтиллятор. Фотоны из сцинтилляционного материала попадают в пространство интегрирующей сферы, которая за счет своих свойств рассеяния формирует стабильный уровень яркости оптического излучения. Часть этого оптического излучения попадает в выходной порт, далее в транспортное оптическое волокно и на счетчик фотонов, с которого сигнал в виде числа импульсов в единицу времени, пропорциональный яркости и соответственно количеству электронов, вышедших из источника, передается в персональный компьютер, где при помощи программного обеспечения интерпретируется измеряемая величина выхода электронов с поверхности источника ионизирующего излучения.Thus, all electrons emitted from the source of ionizing radiation at the 4π angle enter the scintillation material, in which photons are generated, the number of which is proportional to the energy of the particles. The presence of vacuum inside the integrating sphere reduces the loss of electrons and increases the likelihood of them entering the scintillator. Photons from the scintillation material enter the space of the integrating sphere, which, due to its scattering properties, forms a stable level of brightness of optical radiation. Part of this optical radiation enters the output port, then into the transport optical fiber and to the photon counter, from which the signal in the form of the number of pulses per unit time, proportional to the brightness and, accordingly, to the number of electrons emerging from the source, is transmitted to a personal computer, where, using software software, the measured value of the electron yield from the surface of the source of ionizing radiation is interpreted.

Устройство по п. 2 работает следующим образом.The device according to claim 2 operates as follows.

Калиброванный источник ионизирующего излучения (12) (с известным выходом бета электронов с поверхности источника в единицу времени) закрепляют в держатель (13), который помещают в интегрирующую сферу (1), подключенную при помощи оптоволоконного кабеля (3) к счетчику фотонов (4). При этом счетчик фотонов (4) подключен к персональному компьютеру (6) при помощи кабеля (5). Далее при помощи компьютера (6), подключенного к датчику давления (8) посредством кабеля (7) измеряют давление в интегрирующей сфере (1). Затем при помощи компьютера (6) и программного обеспечения устанавливают необходимый уровень остаточного давления в интегрирующей сфере (1) и включают вакуумный насос (9). При достижении необходимого уровня давления насос (9) отключается, и при помощи счетчика фотонов (6) осуществляется измерение количества фотонов в единицу времени попадающих на выходной порт (2) интегрирующей сферы (1). Результаты измерения фиксируют.A calibrated source of ionizing radiation (12) (with a known yield of beta electrons from the surface of the source per unit time) is fixed in a holder (13), which is placed in an integrating sphere (1), connected via a fiber optic cable (3) to a photon counter (4) . In this case, the photon counter (4) is connected to a personal computer (6) using a cable (5). Next, using a computer (6) connected to a pressure sensor (8) via a cable (7), the pressure in the integrating sphere (1) is measured. Then, using a computer (6) and software, the required level of residual pressure is set in the integrating sphere (1) and the vacuum pump (9) is turned on. When the required pressure level is reached, the pump (9) is turned off, and using a photon counter (6), the number of photons per unit time arriving at the output port (2) of the integrating sphere (1) is measured. The measurement results are recorded.

Данную процедуру проводят несколько раз для калиброванных источников ионизирующего излучения одной конфигурации, но с разными уровнями выхода бета электронов с поверхности.This procedure is carried out several times for calibrated sources of ionizing radiation of the same configuration, but with different levels of beta electron yield from the surface.

В результате таких измерений формируется калибровочная кривая, которая далее используется для определения уровня выхода электронов из источника той же конфигурации, но неизвестной активности. Для ее определения проводятся аналогичные измерения числа фотонов на выходе из интегрирующей сферы при том же остаточном давлении внутри сферы. Результат соотносится с калибровочной кривой и определяется уровень выхода для измеряемого источника.As a result of such measurements, a calibration curve is formed, which is then used to determine the level of electron yield from a source of the same configuration, but of unknown activity. To determine it, similar measurements of the number of photons at the exit from the integrating sphere are carried out at the same residual pressure inside the sphere. The result is compared to a calibration curve and the output level for the source being measured is determined.

Для устройства по п. 3 выполняется следующая последовательность действий.For the device according to clause 3, the following sequence of actions is performed.

Калиброванный источник ионизирующего излучения (12) (с известным выходом бета электронов с поверхности источника в единицу времени, помещают в сцинтилляционный контейнер (14), который закрепляют в держатель (13) и помещают в интегрирующую сферу (1), подключенную при помощи оптоволоконного кабеля (3) к счетчику фотонов (4). При этом счетчик фотонов (4) подключен к персональному компьютеру (6) при помощи электрического кабеля (5). Далее при помощи компьютера (6), подключенного к датчику давления (8) посредством электрического кабеля (7) проверяют давление в интегрирующей сфере (1). Затем при помощи компьютера (6) и программного обеспечения устанавливают необходимый уровень остаточного давления в интегрирующей сфере (1) и включают вакуумный насос (9). При достижении необходимого уровня давления насос (9) отключается, и при помощи счетчика фотонов (4) осуществляется измерение количества фотонов в единицу времени попадающих на выходной порт (2) интегрирующей сферы (1).A calibrated source of ionizing radiation (12) (with a known yield of beta electrons from the surface of the source per unit time) is placed in a scintillation container (14), which is fixed in a holder (13) and placed in an integrating sphere (1), connected via a fiber optic cable ( 3) to the photon counter (4). In this case, the photon counter (4) is connected to a personal computer (6) using an electrical cable (5). 7) check the pressure in the integrating sphere (1). Then, using a computer (6) and software, set the required level of residual pressure in the integrating sphere (1) and turn on the vacuum pump (9). When the required pressure level is reached, the pump (9) is turned off. , and using a photon counter (4) the number of photons per unit time arriving at the output port (2) of the integrating sphere (1) is measured.

Claims

1. A beta-sensitive fiber optic dosimetric system, including a scintillator, an integrating sphere with a fiber output, a transport optical fiber, a photon counter and a personal computer, characterized in that photons arising in the scintillator when interacting with electrons from a beta source of ionizing radiation placed inside integrating sphere, are scattered by the material of the sphere and fall on its output port, connected via a transport optical fiber to a photon counter, the signal from which is transmitted via a connecting cable to a personal computer, which is also connected to a vacuum sensor located at the inlet of the vacuum pump via a vacuum pipeline, connected to the internal volume of the integrating sphere.

2. Beta-sensitive fiber optic dosimetric system according to claim 1, characterized in that the scintillator in the form of a layer is uniformly applied to the internal scattering surface of a hermetically sealed integrating sphere, and the radiation source is fixed inside the sphere on a special holder.

3. Beta-sensitive fiber optic dosimetric system according to claim 1, characterized in that the scintillator is a separate container for a beta source of ionizing radiation, repeating the shape of a beta source of ionizing radiation, placed inside an integrating sphere and fixed inside the sphere on a special holder, and the radiation source is introduced into the cavity of the container.