Способ измерения плотности потока и спектра плотности потока излучения

Номер патента: 837209

Авторы: Глаголев, Радзиевский

ZIP архив

Текст

837209 Со 1 лз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 20.02.80 псоедиснием заявк рстзоеиый комитетСССРлом изобретенийи открытий(45) Дат ТИ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ 54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТ И СПЕКТРА ПЛОТНОСТИ ПОТО плотности тока бетания спектра в нзотроа,последую- плотности 1 особа явточность гпической к предлагаемому ао являевся епособ изока и саекчра алотПредлагаемое, изобретение относится к области ядерной физики и может быть применено для измерения в однородной рассеивающей средне спектра плотности потока (и,;разумеется, аеличины плотности 5 потока) любого излучения, для которого ,моино осуществить зеркальное отражение от плоской поверхности, в частности в обласви радиационной физики .и дозиметрии для измерения спектра плотности потока 10 электронного и бета-,излучения.Измерение спектра плотности потока любого, излучения является весьма актуальной задачей, ибо знание пространствен,ного распределеняя этой величины позволяет получить все другие скалярные характеристики поля излучения. Например, зная спектр плотности потока электронов (или бета-излучения), легко рассчитать распределение плотности переданной среде энергии, т, е. распределение лозы, а также такие характеристики .качества излучения, как спектр ЛПЭ (линейных потерь энергии), средние значения ЛПЭ, функциями параметров Росси, характеризующие передачу энерпии среде на микроуровне, а также поправки ва ход с жесткостью для экспериментальных методов бета-дозиметрии,По определению, плотность потока частиц - это отвесенное .к площади попереч- З 0 ного сечения элементарной сферы число частиц излучения, проникающих н эту сферу за единицу времени, Энергетический спектр плотности потока - это распределение этой величгоны по энергии.Разумеется, такая детвюгирующая сфера измеряет величину алотности потока ,или спектра плотности потока, усредненную по объему сферы. Практически элементарной следует считать такую сферу, в пределах которой характеристики поля излучевия можно с необходимой степенью точности считать постоянными: реальный размер этой сферы определяется градиентом поля излучения и требуемой точностью измере,ния.Известен способ азмеренияпотока и спектра плотности поизлучения в среде путем измерепотерь энергии бета-излученияном детекторе малых размеровщим восстановлением спектрапотока по спектру энергопотерьОсновньгм недостатком этоголяется низкая обеспечиваемаизмерений и трудности его преализаци.и.Наиболее бл,изкимтехнической сущностимерения плотности потности потока излучения от источни 1 ка в,выделенной области однородной среды путемдетектирования частиц и определения числа и амплитудного спектра,импульсов детектора 12.Основным недостатком таково способатакже является:низкая точность,измеренияиз-за недостаточной изотропной эффективности регистрации излучения., Целью изобретения является повышениеточности измерений.Для этого по предлатаемому способуизмерения плотности потока и сноктраплотносви потока излучения в излучаемойобласти среды между источником и детектором помещают плоакую непрозрачнуюдля излучения диафрагму, плотскость кото,рой имеет размеры не менее,величины максимального пробега частиц излучения всреде, снабженную отверстием, диаметр которого обеспечивает выделение,интересусмой области среды с заданной однородностью излучения, а также экран, отдельныеучастки которого обладают различной эффективностью, причем закон изменения эффективности обеспечивает независимо тьпропускания излучения источника через отверстие диафрагмы и затем через экран вдетектор от,полярнопо угла падения излучения на плоокость отверстия диафрагмы.Диафрагму изготовляют из материала, зОркально отражающего измОряемое,излучение.Предлагаемый опособ позволяетнапример, измерять спектр плотности,протока оета-излучения в диапазоне энергий 10 кэВ -10 МэВ в легкоатомных средах с погрешностью 10% и с меньшей точностью в средахс большим зарядом ядра,Для обоснования:возможности,использования предлагаемого способа для измерения плотности потока и опектра плотностипотока бета-излучения в среде сопоставимепо особенности со свойствами той всображаемой элементарной сферы, котораяфигурирует в определении плотности пото,ка.Эта сфера должна удовлетворять следующим условиям.Она должна быть заполнена тем же самысл материалом, что и окружающая еерассеивающая ореда (или близиим с точкизрения взаимодействия с измеряемым излучением), чтобы:не вносить, возмущения впоток, существовавщий в измеряемой области среды до появления сферы.Радиус сферы должен быть достаточномал, чпобы,поток в каждой точке сферыбыл,практически одынаков,Элоиентарная сфера (или ве,материальное .воплощение) должна обеспечить полный учет числа и эноргии частиц, ороникающих в объем сферы. Это означает,что,осли электрон, прокдя оивозь сферу, претерпел обратное рассеяние от окружающе 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 Я го материала и вновь пересек сферу, то в величине лотока дсютжны быть зафиксированы оба;пересечения раздельно, что требует бесконечно малого разрешающего времони,детекта)ра,Полностью удовлетворить этим основным требованиям может только идеальный воображаемый детектор, Поэтому:мысленно заменим,наш идеальный сферический детектор с бесконечно малым разрешающим временем - на чОрную сферу (пол,ностью поглощающую все электроны), с коночным временным разрешением,и оценим ошибки, к .которым приведет таская замена при измерении спектра плотности потока электронов или бета-,излучения.Замена идеальной сферы на черную приведет к умоньшению количества зарегистрированных элекпрснов в основном малых энергий. Спектр незарегистрированных электронов больших энергий при этом практически не изменится. Причиной уменьшения регистрации явлчется тот факт, что в случае ."орной сферы будут отсувствовать электроны, претерпевшие обратное рассеяние в сферу от окружающего вещества.Точный расчет уиеньшения,регистрации прои замене идеальной сферы черной затруднителен, результат зависит от рассеивающего материала, диаметра сферы, энерГии электронов В спектре, однако вззмож на оценка того энергетического порога, выше которого эноргепгчесиий спектр плотности потока электронов, измеренный чер ным детектором с бесконечно малым временным разрешением, должен практичес,ки,совпадать со спектром, зарегистрированным, идеальной элементарной сфОрой,Результат оценки при плотности материала 0,1 гlсмз в тканеэквивалентном материале (7=7,21 при диаметре детектора 2 мм дает нижний порог энергии, не превосходящий 100 кэВ, что вполне допустимо при:измерении спектра плотности потока бета-излучения от,источников с высокой граничной энергией, например от источника "Р (праничная энерпия бета-опектра 1700 кэВ),В случае измерения спектра плотности потока мягюих бета-излучателей, например, З 55 (граничная энергия бета-спектра 167 кэВ) можно воспользоваться ткаиеэквивалентным газом (азот с .небольшой примесью более тяжелого газа). Здесь при давлении (1,ат) в диамецре сферы 2 мм энергетический порот неправильного измерения апектра для тканеэквиваленпной среды составляет 6 - 7 кэВ, и это также вполне допустимо. В случае измерения спектра потока бета-излучения З 5 в средах с большим, чем у ткани Л, энергетический порог правильной репистрации спектра становится выше и для меди (Я=29) составит 13 - 14,кэВ.Рассмотрим теперь влияние конечного временного разрешения на показания черного детектора. Мы не рассматриваем здесь влияние конечного разрешен;я,:с го спектрометра на форму спектра при больших загрузках - такие искажения спектра легко устраняются уменьшением активности источников излучения. Ошибки, связанные,с нерегистрацией (на фоне первичного попадания) электронов, прошедших идеальную сферу и обратно отраженных от окружающей сре ы мы уже у чли при за,мене идеальной сферы на черную. Существуют, однако, еще ошибки, связанные с возможностью пракпическн одновременного попадания в детектор первичного электрона,и электронов вторичной электронной шубы, окружающей трек первичного электрона. Конечные размеры детектсра дела от невозможной регистрацию такой шубы, т, е, фактически некоторой низкоэнергетической части спектра электронов, Оце,нивая энергетический порог регистрации, ,можно придти к:выводу, что он во всех случаях не ваше, чем энергетический по,рог, возникающий вследствие замены идеальной сферы иа черную, Оценки ошибок, связанных с заменой,идеальной сферы с бесконечно малым временным разрешением на черную с конечным временным разрешением, проводились с погрешностью, не превышающей 5%,Однако трудности, возникающие при 1 непосредственной, буквальной,реализации даже черного изотролного спектрометрического детектора полного поглощения носят принципиальный характер, и видимо, непреодолимы. Речь:может идти о том, чтобы обойти эти трудности, и единственной возможностью здесь является попытка моделирования требуемых условий измерен:ия.На фиг, 1 представлена схема измерения плотности потока бета-излучения;,на фиг. 2 - экспериментальный график эффективности регистрации (для бета-излучения), обеспечивающий компенсацию аниэотропии 1 вплоть до убегла 0=75, иа фиг.3 - два трека частиц в однородной, среде без диафрагмы (оплошные линии),и;измененные из-за наличия зеркальной диафрагмы участки этих трежо 1 в (пунктир); на фиг, 4 - схема .реализации предлагаемого способа измерений спектра плотности потока бета-излучения: на фиг. 5 - фигурный экран. На фиг. 6 приведены,результаты измерения спектра плотности потока (точки) и .расчета (линия).На чертеже показаны источник 1 бетаизлучения; плоская диафрагма 2 с круглым отверстием 3, спектрометричесиий детектор 4 полного поглощения, одинаково регистрирующий электроны, падающие на него под любым углом; фигурный экран 5, назначение которого будет описано ниже,Устройство,на фиг, 1 обладает аксиальной симметрией. Пространство над диафрагмой 2 заполнено однородным рассеивающим излучение материалом, а рассеянием и поглощением излучений на пути от отверстия 3 до детектора 4 можно цренебрачь.Сущность лердлагаемого способа измерения связана с двумя его особеннастями.Достижение изотролной чувствитель ности устройства в пределах телесного угла близкого к 2 л. Излучение, падающее на диафрагму 2, пропускается отверстием 3 по-разному, в зависимости от угла падения О, Очевидно, что пропусканле пропор циональное сов О, т. е. изменяется от 1 доО при изменении О от О до, - , . Поместим на пути отверстия 3 к детехтору 4 пепрозрачнь 1 й для излучснпя фигурный экран 5, задерживающий часть падающего на него излучения. П,.спу"какие экрана сделаем пропорциональным (соз О) в , В этом случае находящийся за экраном опектрометрический детектор 4, который,в отсутствие экра,на 5 регистрировал бы все излучение, прошедшее через отверстие 3 (т. е. имел бы телесный угол регистрации 2 л), при наличии экрана будет обладать угловой за,висимостью чувствительности, пропорциональной (сов О)-. При этом система из диафрагм, экрана и детектора за счет компенсации угловой зависимости пропускания отверстия угловой зависимостью лропускания экрана будет обладать изотропной чувствительностью. Ясно, что,компенсация анизотропии лропускания отверстия 3 не может быть полной - нельзя обеспечить бесконечно высокую эффективБость регистрации при О - ; однако не представляет труда обеспечить ее вплоть до углов 6, достигающих 80 - 85.45Моделирование изотролной эффективности регистрации в телесном угле 4 л. Рассмотрим еще одну функцию, которую должна выполнять диафрагма 2. Представим себе, что верхняя (со стороны источника излучения) ловерхн 1 ость,диафрагмы обла дает свойствами идеального зеркала дляизлучения. Это означает следующее: вопервых, каждая частица, лопавшая на поверхность, отражается, иначе говоря, числовой коэффициент обратного рассеяния в=1, во-вторых, потери энергии при отраЬЕжении отсутствуют, нли, - =О, где ЛЕ --осредняя потеря энергии частицей ари от ражении, Ео - энергия падающей частицы,и, в-третьих, угол падения частицы 9;равен углу отражения 6 г Последнее условие можно записать также в виде (сов О) - сов 0=1, где черта означает усреднение.65 Ясно, что в реальных случаях (например, 837209для хорашо известного отражения видимого света) условия отражения выполняются с определенной степенью точности и все трои .равенства могут быть только приближенными.Рассмотрим распространение частиц в однородной рассеивающей среде в отсутствии и при наличии идеальной зеркальной поверхности диафрагмы, Очевидно, что для частиц, идущих в отсутствии диафрагмы из верхнею полупространства:и проходящих сквозь площадь отверстия 3 диафрагмы 2, появление зеркальной диафрагмы ничего не изменяет; частицы же,попадающие в отсутствии диафрагмы снизу, после отражения от зеркальной диафрагмы также регистрируются детектором, попадая в него симметрично сверху. Таким образом, изотропное в телесном угле 2 л устройство совместнс с,идеальным зеркалом для:излучения является эквивалентом, полной моделью сложного для прямой реализации полностью изотропного (в телесном угле 4 л) детектора полного поглощения (черная сфера), окруженного со всех сторон однородным рассеивающим мат 1 ериалом.Из фит. 3 видно, что юроме равенства плотностей потока и энергетических,распределений частиц для двух указанных геометрий, имеет место и сходство угловых ,распределений, Отличие будет лишь в том, что все частицы, попадающие со сторо 1 иы нижнего полупространства в черную сферу, заменяются в случае изотропногов телесном угле 2 д детектора зеркально симметричными частицами, попадающими в моделнрующее эту сферу отверстие диафрагмы 2 сверху.Реализация зеркальных свойств диафрагмы кравнителвно легко осуществима, например, для виднмаго света. Однако она затруднительна для элекпронов;и бета-излучения. Действительно, если не использовать явно неприменимых здесь методов электронной,оптиюи, осуществить .зеркальность диафрагмынапример, изготавливая ее из материала с большим атомным номером, удается лишь частично. Условия отражения, например, от свин,ца (1=82),выполняются весьма приближенно, к тому же параметры отраженияЬЕе - соз 6,заметно зависят от угла падения и энергии падающего электрона. Для свинца параметры отражения для некоторых энергий и углов падения 1 приведены в таблице.Величина (соя 61)ооз 6 слабо зависит от энергии и величины 0 и составляет для нофмального падения оюоло 2; с ростом 6 она постепенно падает, доспигая приго. на, е Параметры 60 Энергия электрона, кэВ 50 2 с 00 2000 0,49 0,37 0,58 0,68 10 ЬЕ Е 0,36 0,20 0,25 О,0=60 единицы, а в дальнейшем почти не15 изменяется,Строгий расчет конкретных ошибок,связанных с недостаточной зеркальностьюдиафрагмы (увеличение Я вплоть до урана,7=92, практически мало что меняет), воз 20 можен лишь для,конкретной геометрии источников излучения с учетом рассеивающейсреды и энергии электронов и сводится кдостаточно сложному решению задачи переноса электронов; он в данником случае,не 25 целесообразен, но мы можем оценить этиошибки для .некоторых конкретных случаев.Оценка показывает, что в случае тканеэквивалентной среды (2=7,2) ошибка вплотности потока за счет недостаточнойзеркальности свинцовой диафрагмы лриизмерении электронов с энергией 50 -2000 кэВ не превосходит 12%, а в случаеизмерения в среде к 2=29 (медь) .не пре 35 восходит 25%.Таким образом, по двум,критериям: до.лустимости замены идеальной сферы черным детектором и допустимости использования,несовершенного свинцового зеркала40 для электронов, границей области применения предлагаемого способа является случай измерения в креде с 2=29 (медь)(верхняя,граница атомного,номера) апектра потока от бета-излучателей с гранич 45 ной энергией 150 - 200,кэВ (нижняя граница энергии),В поле излучения источника 1 (в даином опыте,использовался практичеаюи точе ьный источник Яг" + Г активностью50 - 10 мк Ки) располагается свийцовая диафрагма 2 с диаметрам 150 мм и толщиной1 мм. Пространство между источником идиафрагмой заполнялось слоями пенопласта 6 ао средней плотностью 0,1 г/сма и ди 55 аметром большим .максимального пробегаэлектронов бетализлучения "Ьг + эоУ( - 100 мм). Сверху источник излучения закрыт слоем пеноплакта 7 толщнной 50 ммдля обеспечения геометрии измерения в60 бесконечной среде. Диаметр отверстия 3 вцентре диафрапмы 2 мм. Пластмаксовыйцилиндрический сцинтилляционный детектор 4 с диаметром 42 км и высотой 25 ммверхней плоскостью, касается диафрагмы,65 нижняя его часть оптически сочленена с837209 10 Зо 35 40 45 50 55 бета-излучателей и конкретного углового раапределения:падающих частиц. На базе предложенного способа возможно создание 50 прибора для измерсния плотности потокаили мощности флюэнса и спектра плот ности потока или спекпра мощности флюэнса бета-излучения. Подобный прибор должен найпи применение при обеспеченки радиационной безопасности,ФЭУ, импульсы которого после усиления регистрируются многоканальным анализатором импульсов, Прилегающая к диафрагме часть сцинтиллятора имеет полусферическое углубление 8 с радиусом 13 мм, причем центр, полусферы находится,на оси сцинтиллятора и совладает с,центром верхней поверхности диафрагмы. Для улучшения светосбора боковая и верхняя плоская поверхность сцинтиллятора покрыта свето- отражающим составом.Система компенсации анизотропии,пропускания отвврстия в диафрагме выполнена в виде непрозрачного для излучения фигурного экрана 5, имеющего форму полусферической чашки и лежащего акаиально симметрично на дне полусферического углубления в сцинтилляторе 4. Эта чаша сделана из шести свинцовых лепестков, разделенных зазорами. Форма лепестков определялась путем геометрического,расчета, исходя из необходимости компенсации анизотропин нрэпускания в определенном диапазоне углов О,Расчет экрана сводится к выбору предельного угла, компенсации 8 м и выполнению условий,компенсации в угличе от 0 до 6 П, Для выполнения условий компенсации достаточно, чтобы экран оставлял открытой для частиц, влетающих в отверстие диафрагмы под углом Оо, часть поверхс о з О ц.ности, пропорциональную " . Длясозе,этого достаточно, чтобы из общей длины оиружности 2 йз 1 п Оо экран составлял открытую часть сояОмахсозб/ Фигурный экраны 5 со стороны, обращенчлой к сцинтиллятору, покрыт светоотражающом составом; на сторону, обращенную к,диафрагме, с целью уменьшевия обратното,рассеяния электронов, нанесен слой,легкоатомного материала толщиной 1,5 мм.Эффективность, компенсации анизотропии пропускания диафрагмы с помощью такого экрана была проведена эксперименталыно с помощью яоллимированного ясточвика излучения Ьг"+У". Проверке подвертался кокпенсирующий эиран с предельным углом компенсации 75. Результаты проверки показаны на фит. 2 (точки - эксперимент, сплошная лвния - ,расчет),Любое измерение спектра плотности потока бета-излучения проводилось при двух одинаковых экспозициях. Во,время первой отверстие 3 диафрагмы было открыто, во время второй - закрыто специальной заглушкой 9. Заглушка имеет назначение аодностью закрыть для бета-излучения лишь отверстие 3 с тем, чтобы остальная площадь диафрагмы 2 подвергалась тако 5 10 15 20 25 му же облучению, как и во время первой экспозиции. Первую экспозицию назовем полным измерением, вторую .измерением фона. Для получения спектра потока спектр фона вычитается из полного спектра. Необходимость второй экспозиции (кро.ме сушеспвования фона в обычном смысле) обусловлена тем, что для уменьщекия краевых эффектов и улучшения геометрии измерения отверстие в диафрагме имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием к сцинтиллятору, а это приводит к тому, что часть электронов при ,полном;измерении попадает,в сцинтиллятор помимо отверстия 3; кроме тсео, в свинцовой диафрагме возникает тормозное излучение, которое также регистрируется детектором,При вычитании из полного спектра фо,на мы,избавляемся от ошибок, связанных с этими двумя ф,акторами.В качестве проверки работоспособности способа и всего устройства для его реализации в целом был измерен спектр плот ности, потока на границе полубесконечного однородного источника 5 г"+У. Из фиг, 6 видно, что совпадевие результатов хорошее. Оценивая технико-экономическую эффективность предлагаемого, изобретения, следует отметить, что в настоящее время не существует не только приборовно даже способа корректного измерения плотности потока и спектра плотности потока электронов и бета-излучения. Результаты, полученные с использованием данного способа измерения потока и спектра плотности потока бета-излучения, позволят внести поправки, компенсирующие ход с жесткостью, таких япюроко .распространенных дозиметров бета-.излучения, как сцинтиллвционный и фотографический, расширяя таким образом, их область применевия,В нормах,радиационной безопасяости НРБнормяруется связанная с дозой,ве. личина предельно допустимого флюэнса (интеграла по времени от плотности потока) бета-излучения, которая, так,как не существует, корректного способа ее прямого измерения, вычисляется расчетным путем для нескольких частных случаев отдельныхФормула изобретения1. Способ измерения плот, ности потока и спектра плотности потока излучения от источника в:выделенной области однородной среды путем детектирования частиц и определения числа и амплитудыого спектра импульсов детектора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в изучаемой области среды между источником и детектором помещают плоскую непрозрачную для излучения диафрагму, плоскость которой имеет размеры не менее величины максимального пробега частиц излучения в среде, снабженную отверстием, диаметр которого обеспечивает выделение интересующей области среды с заданной однородностью поля излучения, а также экран, отдельные участки которого обладают различной эффективностью, причем закон изменения эффективности обеспечивает независимость пропускания излучения источника через отверстие диафрагмы и затем через экран в детектор от полярного угла падения излучения на плоскость отверстия диафрапмы.5 2. Способ по п, 1, о тли ч а ю щ и й сятем, что диафрагму изготавливают;из материала, зеркально отражающего измеряемое излучевие.10 Источники информации, принятые во внимание при экспертиве: 1. Наркевич Б, Я. и Константинов И, Е,Сб. Вопросы дозиметрии и защиты от из 15 лучанский, вып, 11, М., Атомиздат; 1970,с. 12.2. Аглинцев К. К. и Касаткин В. П. Офизических принципах дозиметрии бета-излучения. В Сборнике работ по некоторым20 вопросам дозиметрии и радиометрии ионизирующих излучений. М., Госатомиздат,19 бО (прототип),837209 Составитель С. Простовсропова Техред И. Пенчко Корректор И. Осиновска Редакт Тип. Харьк. фил. сПатент Заказ 251/164НПО 11 оиск Государе13 1,зд. У 116пенного комит 5, Москва, Я( Тираж 7:9СССР по делам изРаушска я н а б., д. 4 Подписное етений и открытий

Смотреть

Заявка

2885195, 20.02.1980

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ В-2343

РАДЗИЕВСКИЙ Г. Б, ГЛАГОЛЕВ А. Н

МПК / Метки

МПК: G01T 1/16

Метки: излучения, плотности, потока, спектра

Опубликовано: 30.03.1982

Код ссылки

<a href="https://patents.su/7-837209-sposob-izmereniya-plotnosti-potoka-i-spektra-plotnosti-potoka-izlucheniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ измерения плотности потока и спектра плотности потока излучения</a>

Похожие патенты