Устройство для измерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя

)9) (И) ПИСАНИ БРЕ йА .ь1.: 1 и)сеМ Г. "- ", м еГ Г"ТОРСНОМУ С ЕЛЬСТВ сцинтиллятор1 табл. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(56) Афонин А.Г. и др. Нейтронный пучок ИФВЭ. Журнал технической физи. ки, Р 5, 1977. с. 997.Авторское свидетельство СССР В 1145777, кл. С 01 Т 1/20, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КАНАЛЕ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ(57) Изобретение относится к ускорительной технике. Цель иэобретения - повьпиение чувствительности и точности измерений. Устройство для измерения распределения интенсивности иоии 1)5 Н 05 Н 7 00 С 01 Т 1/ зирующего излучения в канале линеиного ускорителя содержит полый зеркальный световод (ПЗС),1, системусцинтилляторов 3, каретку для сцинтилляторов 3 и механизм ее перемещения. Цель достигается тем, что сцинтилляторы 3 имеют Форму цилиндров спокрытием 4, светоотражающим изнутрии светопоглощающим снаружи, снабженыпараболическими отражателями 6 светадля обеспечения квазипараллельностипучка света и имеют светопоглощающуюнакладку 7 цилиндрической Формы дляустранения попадания света на ПЗС 1,причем суммарная длина сцинтилляторов 3 равна 2/3 расстояния от дсПЗС 1 до оси ускорителя. В описанииизобретения дан вариант конст к ии ь цз.п, ф-лы, 9 ил,1 Ъ=-:.Изобретение относится к ускорительной технике и дозиметрии ионизирующих излучений, в частности к линейным ускорителям ионов,Целью изобретения является повышение чувствительности измерений,На Фиг, 1 приведена схема кпнструкции измерителя с фокусирующей системой, состоящей из двух отражателейсвета; на. Фиг. 2 - сечение по А-АФиг. 1; на фиг. 3 - кривые распределения интенсивности излучения, снимаемые измерителем при различном суммарном размере сцинтилляторон копродольной координате Е и расположении источника излучения на оси ускорителя в точке 2=0 на расстоянии аот оси светонода; на Фиг. 4 - зависимость неоднородности показаний измерителя жцс ми, -н ксот отношения длины измерителя Е к диаметру светонода 0 при различных углах расходимости пучка светаи коэффициента отражения о поверхности световода; на Фиг. 5 изображена схе ма системы сцинтклляторов с параболическими отражателями; на фиг. 6 схема конструкции измерителя с Фокусирующей системой, состоящей из двух линз; на фиг. 7 - сечение по Б-Б. на Фкг. 6; на Фиг. 8 - схема системы сцинтиллятора с линзами; на фиг. 9 представлена эанисмость световыходасистемы сцинткллятор-линзы от диаметра д сцинтиллятора, 40Устройство содержит полый зеркальный снетовод 1, который расположен вдоль и вплотную к конструкции линейного ускорителя 2 ионов параллельно его оси, цилиндрические сцинтилляторы .3, предназначенные для преобразования ионизирующего излучения в световые сигналы, покрытие 4 сцинтиллятора, снетоотражающего изнутри и светопоглощающего снаружи служащего для переноса света сцинтиллятора на его открытый торец и устранения большой углонои расходимости светового пучка, полые зеркальные переходники 5, служащие для концентрации света в Фокусе отражателей 6, обеспечивающих квазипараллельность пучка света, цилиндрическую светологлощающую накладку 7, служащую для устранения попа,ания света от сцинтиилятора непосредстненно на светонод, фотоэлектронные умножители 8 р установленные на концах световода и служащие для преобразования световых сигналов н электрические, каретку 9, на которой закреплены сцинтилляторы с отражателями, которая служит для передвижения их по направляющим 10, электродвигатель 11, который служит цля перемещения каретки с помощью нити 12, оптические линзы 13, служащие для Фокусировки света в кназипараллельный пучок, светопоглощающие перегородки 14,участка измерения, систему сцинтиллязоров, снабженную устройством оптической фокусировки света, установленную внутри, световода с во:-можностью перемещения по всей его длине вдоль его оси, расположенную так, что световые сигналы направлены н противоположные концы световода, где установлены дна Фотоэлектронных умиожителя, система сцинтилляторов выполнена ввиде двух цилиндров, каждый из которых Имеет покрытие, светоотражающее изнутри и снетопоглощающее снаружи, охватываю- щее цилиндрическую поверхность и поверхность одного основания каждого сцкнткллятора, к каждому иэ сцинтилляторов прикреплен параболический отражатель,. в Фокусе которого расположен центр открытого торца сцинтиллятора. К краям отражателей присое" динены снетопоглощающие накладки цк; линдрической формы, длина которых равна расстоянию от Фокуса отражателя до плоскости, проходящей через его край. Светосодержащее изнутри покрытие сцинтиллятора обеспечивает собирание света на его открытом торце и вместе со светопоглощающими накладками на краях отражателей и внешним светопоглощающим покрытием сцинтиллятора устраняет воэможность попадания. света непосредственно.от сцинтилля-, тора на поверхность световода и, следовательно, устраняет большие углы расходимости светового пучка,.идущего от системы сцинтилляторы-отражатели н противоположные концы световода. Наибольший суммарный размер системы сцинтилляторов вдоль продольной оси составляет 2/3 расстояния от оси световода до оси ускорителя.,С целью дальнейшего увеличения чувствительности измерителя увеличивают диаметр сцинтилляторов в 2-31,(2)- 1+(о )2а аБ Ь 2, =2 а раза и устанавливают ца торцах сцицтилляторов, обращенных в сторону отражателей, полые зеркальные переходники-фоконы, ныходцое отверстие которых находится в фокуса отражателей и имеет диаметр, меньший диаметра сцицтиллятора и равный расчетному значению д,с 1=2 сс, при котором обеспечивается заданная угловая рас ходимость с пучка света от отражателя (при заданном фокусном расстоянии отражателя а ) Диаметр сцинтилляторов может быть больше диаметра й в 2-3 раза. Внешняя сторона фоконов 15 должна иметь светопоглощающее покрытие по той причине, что и покрытие сцицтиллятора, чтобы устранить отражение света от фокона и появление лучей .с большей угловой расходимостью.2 пС целью дальнейшего увеличения чувствительности система сцицтилляторов выполнена из одного сцинтилля- тора цилиндрической формы, ось которого расположенапо оси световода", 25 цилиндрическая поверхность сцинтиллятора имеет покрытие, светоотрчжающее изнутри и светопоглощающее снаружи, На торцах установлены полые зеркальные переходники-фоконы; с двух сторон ЗО от сцинтиллятора установлены оптические линзы; фокусы которых находятся в центре выходных отверстий фоканов. Пространство между линзами разделено светоцоглощающей перегородкой 14, устраняющей попадание света, служащей для поглощения света, отраженного от внутренней поверхности линз.Устройство работает следующим образом. Полый зеркальный световод 1, 4 о диаметр которого может быть равен 0,06-0,12 м, а длина 20-30 м, расположен неподвижно на участке ускорителя где необходимо провести измерение распределения потерь пучка, вплотную к резонаторам ускорителя. Затем при включенном ускорителе с помощью электродвигателя 11 и нити 12 перемещают каретку 9 с прикрепленными к ней отражателями 6, сцинтиллято О рами 3, имеющими покрытие 4 и полые зеркальные переходники 5, по направляющим 10 из одного конца световода в другой. При этом иониэирующее излучение, проходящее через сцинтиллятор, вызовет испускание света. Свет от сцинтилляторов с помощью светоотража 1 ощих покрытий 4 и полых зеркальных переходников 5 соберется в выходцом отверстии малого диаметра, расположенном в фокусах отражателей, будет направлен отражателями в виде пучка малой угловой расходимости в противоположные коцпсветовода 1, где попадает ца фотокатоды стоящих там фотоэлектронных умножителей 8, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Электрические сигналы после фотоэлектронных умножителей складываются в результирующий сигнал, Таким образом получают распрецеление ионизирующего излучения вдоль участка измерения.Суммарная длина по 2 системы сцин. тилляторов влияет ца точность измерения, которую можно характеризовать разрешением Ь 2 - расстоянием по 2, на котором еще можно различить два точечных источника ионизирующего излучения равной интенсивности. При об. щей длине по 2 сцинтилляторов 2 а /3, где а - расстояние от оси световода до оси ускорителя, разрешение увеличивается (т.е. ухудшается) на 67 по сравнению со случаем одного точечного сцинтиллятора, а при больших длинах (1-1,3)а разрешение Ь 2 больше разрешения точечного сцицтиллятора на 12-183, т,е. при длине сцинтилпяторов, большей 2 а /3, происходит быстрое ухудшение точноси измерения,Распределение интенсивности 1 ионизирующего излучения по продольной координате 2 в случае измерителя с одним сцинтиллятором малых размеров без учета затухания в световоде будет иметь вид где 1 - интенсивность при 2=2 О;а - расстояние от сцинтиллятора до оси ускорителя;а - фокусное расстояние отражателя.Величина А 2 определяется шириной по 2 кривой 1,(2) на полувысоте и равна График 1,(2) приведен на фиг.3, кривая 15. В случае двух протяженных сцинтилляторов длиной 1, находящихся один от другого ца расстоянии 2 о,,на фиг. 3 дает значение 1 (Е) длязначения 2(с 1+1)=а. Здесь величина6 Е, уже больше Ь Е, на 123. Перелом вувеличении 6 2 и соответственно нухудшении точности измерения наступает в районе значения 2(+1)=2 а/3,поэтому. увеличивать длину каждого иэсцинтилляторов больше а/ 3-ц неэффективно.Отношение диаметра торца сцинтиллятора к величине фокусного расстояния отражателя достигает значения- О, 1 и определяется расчетным путемиз выбираемой допустимой нерднародности показания измерителя от про- З 0дольной координаты сцинтиллятора, Отношение фокусного расстояния отражателя к его диаметру определяется расчетным путем из условий достижениянаибольшего потока света, попадающего на отражатель. На фиг 4.приведены криные максимальной длины измерителя Ь от нели;ины неоднородностипоказаний измерителя 3 при постоянном потоке света от продольной координаты сцинтиллятора Ф=(1-Соэч) Ф,л лл а сМл и 4лсамсгде 1 - максимальное и мини-, 15 мальное показания измерителя, для нескольких значений угла расходимости пучка света и коэффициентов отражения поверхности световода в, Достижение большой длины измерителя Ь= 20 м при диаметре светонода 0=0,1. м при пренебрежимо малой неоднородности по" казания измерителя 8 =1,3-33 для практически достижимого значения О щ 0,96 связано с уменьшением угла расходимости Ц светоного пучка доозначений 3 -5 . Угол расходимости определяется диаметром торца сцинтиллятора д, находящегося в фокусе отФ ЧФо Чо( Ч) а 3 Ч с 1 где а - расстояние от оси ускорителядо сцинтиллятора, а=0,24 и;диаметр сцинтиллятора и фокусноерасстояние отражателя соответственноапри у "90 где С - константа, определемая из условия нормировкиДля(р =3 -с 3=0, 1 с 1Уравнение сечения поверхноати параболического отражателя плоскостью,проходящей через ось снетонода, имеет вид . 4 Ч 9где У и Е " поперечная и продольная координаты соответственно, На .фиг, 5 изображена схема отражателя со сцинтиллятором, При диаметре отражателя, равном диаметру световода 0=0,1 и, о=0, 025 м, Й=О.0025 м, весь снет, выходящий иэ сцинтиллятора, попадае 1 на отражатель. Угол у , обоэначенньМ на фиг, 5, в этом случае ранен 90 При увеличении диаметра д и фокусного расстояния ц при неизменном их отношении угол у уменьшается и уменьшается поток света Ф, попадающий на отражатель где Ф - поток света идущий от сцинтиллятора.В таблице приведен ряд значений й н о при их неизменном отношении,о с 1/1=0, 1 и угле расходимости ( =3 соответствующие им величины (, Ф/Ф величина относительного увеличения объема сцинтиллятора Ч/Ч , тень отдсцинтиллятора с( - ), где О -диаметр отражателя 0=0,1 м, коэффициент изменения светового потока, выходящего с отражателя под углом расходимости 3 Величина Ч/Ч определялась формулой1327776 ДиаметрсцинтилФокусноерасстояние отДоля светаот сцинтилТень от Коэффициентувеличениясветового поград н.ед сцинтилляторас, 7 лятора, м лятора, попадающегона отражатель Ф/фотн.ед. ража-.еляц и тока ,отн,ед. 0,062 1,00 0,09 1,04 0,8 1, 15 1,27 1,04 0,12 2,56 О, 16 1,03 1,6 0,40 0,25 0,86 6,=0,01 м 90 0,0025 0,025 79 0,0030 0,03 70 0,0035 0,035 63 0,0040 . 0,04 53 О,э 0050 Ов 05 Из таблицы видна, что тень от сцинтиллятора пренебрежимо мала, световыход системы сцинтиллятор-отражатель при изменении фокусного расстояния отражателя имеет плавный чаксимум., В случае приведенных параметров Э -- .Ч - 0,03-0,04 м,дЧЕсли применить не конический, а параболический фокон и принять значение коэффициента отражения фокона 0,9-0,96, которое может быть реально достижимо, то выигрыш в световоде. возрастет еще иа 20-307В случае конструкции измерителя,изображенного на фиг. 6, от длины сцинтиллятора зависит разрешение ь 2 .измерителя и с достаточной точностью справедливы кривые распределения фиг. 3 интенсивности излучения при .точечном источнике излучения на оси ускорителя. При длине сцинтиллятора2 а1 - точность измерения ухудшается3на - 67 по сравнению со сцинтиллятором малых размеров, а увеличение длины сцинтиллятора больше значения - нежелательно, так как приводит к 2 а3значительному ухудшению точности измерения.Отношение диаметра торца сцинтиллятора к величине фокусного расстоя" ния линзы достигает значения л О, 1 и определяется расчетным путем из выбираемой допустимой неоднородности показания измерителя от продольной координаты сциитиллятора. Отношениефокусного расстояния линз к их диа метру определяется расчетным путемиз условий оптимального соотношениявеличины потока света, выходящего иэсистемы сцинтиллятор-линэа, и расстоянием между линзами.ЗО Угол расхсцимости светового пучкаС определяется диаметром торца сцянтиллятора Й и фокусным расстоянием илинзы. Если требуемая неоднородноСтьизмерителя о =1,5 Е при коэффициентеотражения=0,96, то угол у долженбыть - 3, а 0=О,1 о.В изображенной на фиг. 8 схемесцинтиллятора с линзами при диаметре линзы, равном диаметру световода 4 О 0=0,1 м, угол между осью световодаи крайним лучом, попадающим на линзу,удовлетворяет соотношениюРИТ =2 ц45При увеличении диаметра Й и фокусного расстояния о при их неизменном от-,ношении угол у уменьшается и уменьшается поток света Ф, попадающий налинзу0 50 оФ=(1-сову) ф =(1-соз(агсСд - ) Ф,2 ц оф где Ф - поток света, выходящий изсцинтиллятора.Световыход .системы сцинтнллятор -55 линзаГрафик эависимости и =И) при 0=0,1 м,1- О, 1 приведен на фиг. 9. Из графика видно, что световыход достигаетмаксимума при наибольшем значении 1,равном диаметру световода. Однакоувеличениебольше 0,01-0,02 м нецелесообразно, так как лри этом ростсветовыхода очень мал, а рост длины Осистемы сцинтиллятор-линзы велик,что приводит к возникновению мертвойэоны измерений.С целью дальнейшего увеличениячувствительности измерителя увеличивают диаметр сцинтиллятора в 2-3 раза,и устанавливают иа его торцах полые зеркальные переходники-фоконы,выходные отверстия которых находятся в Фокусах линз и имеют диаметры 20в 2-3 раза меньше диаметра сцинтиллятора и равные расчетному значению= 2 с р,лри котором обеспечивается заданнаяугловая расходимость Р пучка света, идущего от системы сцинтиллятор-линзы. Выигрьпп в световыходе по сравнению со случаем беэ фоканов составит не менее 60-100 . ЭОРабота устройства, изображенного на фиг. 9, отличается от изображен ного на Фиг. 4 тем, что свет от сцинтиллятора, вьппедший иэ фоконов, будет направлен линзами в виде лучка малой угловой расходимости в противоположные концы световода с помощью линз.Расчетным путем установлено, что , конструкция системы сцинтилляторов с 40 отражателями позволяет увеличить объем сцинтиллятора примерно в 3-4 раза, конструкция с линзами - в 5-6 раз. Применение фоконов позволяет увели" чить эффективный объем еще в 1,5- 2 раза. Поскольку чувствительность . измерителя пропорциональна эффективному объему, то использование изобретения позволит увеличить чувствительность в 5-12 раз.50Использование изобретения уменьшит поток света в зеркальном еветоводе эа счет сужения угловой расходи- мости пучка света, идущего от системы сцинтиллятор-олтические элементы, а малые потери света в свою очередь сведут к допустимой величине 3-5 параэитиую зависимость показания измерителя от координаты сцинтиллят -ров,лри больших длинах световода 20-30 м, что в 4"6 раэ лревьппает максимальную длину измерителя-лрототипа. Формула изобретения. Устройство для иэмерения распределения интенсивности ионизирующего излучения в канале линейного ускорителя, содержащее полый зеркальный световод, раслоложенньпЗ вдоль и параллельно оси канала линейного ускорителя вплотную к нему и имеющий длину, равную длине участка измерения, внутри которого расположена система сцинтилляторов с элементами для. Фокусировки пучков светового излучения х взаимно противоположным торцам световода, на которых установлены фотоэлектронные умножители и механизм для перемещения сцинтилляторов вдоль полого световода, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повы- шения чувствительности и точности измерений, система сцинтилляторов выполнена в виде двух цилиндров, каждый из которых имеет светоотражающее изнутри покрытие, нанесенное на боковую цилиндрическую поверхность и поверхность одного торца каждого,сцинтиллятора, сцинтилляторы снабжены, параболическими отражателями света, расположенными так, что центр открытого чорца сцинтиллятора совмещен с фокусом его отражателя, а на краях отражателей установлены светопоглощающие накладки цилиндрической формы, при этом. суммарная длина сцинтилля-, торов равна 2/3 расстояния от оси световода до оси ускорителя.2. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что на открытых торцах сцинтилляторов установ 1 лены полые зеркальные переходники, покрытые снаружи светопоглощающим покрытием, фокусы отражателей расположены в центрах выходных отверстий зеркальных переходников.3. Устройство ло п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что система сцинтилляторов состоит из одного сцинтиллятора цилиндрической формы, на торцах сцинтиллятора установлены полые зеркальные переходники, с двух сторон от сцинтиллятора установлены фокусирующие линзы так, что фОкусы линз совпадают с центрами отверстий зеркальных переходников, пространство между линзами разделено светопоглощающей перегородкой.. Тираж 666 Подпиосударственного комитета СССРлам изобретений и открытийсква, Ж, Раущская наб., д. 4/5 Заказ 157ВЯИИПИ е по 113035, к изводственно-полиграФическое предприятие, г. Ужгород, у