Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 115-120

СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ СКАНЕРОМ С АНТИКОЛЛИМАТОРОМ

Впервые техника применения антиколлиматора описана в [3] как метод обнаружения γ-излучения, испускаемого остатками сверхновых и активных галактик. В качестве детектора использовался размещенный на высоте полета воздушного шара сцинтилляционный счетчик, нечувствительный к направлению зарегистрированного γ-кванта. Ось оптического прицела была направлена в сторону исследуемой галактики, а источник периодически перекрывался массивным поглощающим диском. Большое количество измерений позволило определить значение активности источника, несмотря на то, что она была значительно ниже фоновой.

Способ практического применения системы с антиколлиматором для визуализации источников излучения был описан в [4]. В патенте представлено решение задачи визуализации источников γ-излучения для случая, когда излучение имеет преимущественно одно направление. В нем предложено решение с помощью стационарного позиционно-чувствительного детектора типа камеры Ангера, а для получения изображения объекта необходимо сформировать разностную картину изображений с антиколлиматором и без с последующей обработкой.

В настоящей работе предложен метод обнаружения источников ионизирующих излучений методом антиколлимационной визуализации сканированием, где перед открытым детектором размещается антиколлиматор – объект из материала высокой плотности, например из свинца, для модуляции потока излучения. Перемещая ось антиколлиматора относительно детектора в границах области интереса (рис. 1), можно получить приблизительное инвертированное изображение источников γ-излучения. В точках, когда антиколлиматор будет находиться на оси между источником ионизирующего излучения и детектором, интенсивность регистрируемого сигнала будет значительно ниже, т.е. будут формироваться теневые области. Дополнительная математическая обработка методом максимального правдоподобия позволяет получать изображения с более высоким разрешением, а наложение восстановленного изображения на фотографию области интереса дает возможность привязать их к элементам исследуемого объекта и использовать для дальнейшего анализа и оптимизации реабилитационных работ.

Рис. 1.

Схема формирования теневого изображения сканером с антиколлиматором. 1 – источники γ-излучения, расположенные в области интереса; 2 – положения антиколлиматора в процессе сканирования; 3 – детектор; 4 – области теневого изображения.

КОНСТРУКЦИЯ ГАММА-СКАНЕРА С АНТИКОЛЛИМАТОРОМ

Гамма-сканер с антиколлиматором разрабатывался в качестве легкой и компактной альтернативы традиционному. Такой вариант сканера предназначался для обследования подреакторных помещений при выводе из эксплуатации исследовательского реактора [5]. В таких помещениях основными долгоживущими радионуклидами являются ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs, и при этом предполагалось, что ожидаемая максимальная мощность дозы в точке размещения сканирующего устройства не превышает 0.1 мЗв/ч.

Гамма-сканер с антиколлиматором состоит из детектирующего блока, размещенного с помощью фиксатора на поворотно-наклонном механизме (рис. 2). Управление устройством осуществляется дистанционно персональным компьютером.

Рис. 2.

Гамма-сканер с антиколлиматором. 1 – детектирующая головка; 2 – фиксатор детектирующей головки; 3 – поворотные механизмы.

Детектирующий блок (головка) (рис. 3) состоит из антиколлиматора 2 и спектрометрического детектора 4, размещенных в едином корпусе 3 на одной оси с видеокамерой 1. Спектрометрический детектор на основе сцинтиллятора йодида цезия CsI(Tl) 5 с кремниевыми фотоумножителями и предусилительной электроникой 6 расположен в металлическом корпусе и имеет разъем 7 для подачи электропитания и вывода измерительной информации.

Рис. 3.

Детектирующий блок. 1 – TV-камера; 2 – антиколлиматор; 3 – корпус; 4 – спектрометрический детектор в корпусе; 5 – сцинтиллятор детектора; 6 – предусилительная электроника; 7 – соединительный разъем.

Чувствительный объем детектора выполнен в форме шара для сохранения анизотропии чувствительности при повороте детектирующего блока. В качестве сцинтиллятора детектора применяется монокристаллический йодид цезия, активированный таллием CsI(Tl), обладающий достаточными для решения поставленной задачи эффективностью регистрации и энергетическим разрешением, а также достаточно низкой гигроскопичностью и пластичностью, благодаря чему кристаллы CsI(Tl) хорошо подвергаются механической обработке. Для ожидаемой максимальной мощности дозы в обследуемом помещении порядка 0.1 мЗв/ч из расчета предельной загрузки детектора был подобран оптимальный объем кристалла сцинтиллятора – 6 см³. Применение твердотельных кремниевых фотоумножителей [6], изготовленных в АО “Центр перспективных технологий и аппаратуры” в качестве фотоприемников, позволило изготовить компактный и легкий детектор, в котором использовались кремниевые твердотельные фотоэлектронные умножители СРТА-149-35 с размером чувствительной области 3 × 3 мм. Результаты лабораторных испытаний показали, что при применении одного фотоприемника энергетическое разрешение по линии 662 кэВ (¹³⁷Cs) составляет 18% (рис. 4а). Для повышения эффективности светосбора было использовано четыре фотоприемника, что позволило добиться энергетического разрешения по линии ¹³⁷Cs в 12.1% (рис. 4б). Испытания спектрометрического детектора показали возможность регистрации γ-излучения в диапазоне энергий от 50 кэВ до 1.5 МэВ. Общие размеры детекторного блока составили ∅40 × 135 мм, а масса – менее 200 г.

Рис. 4.

Аппаратурные спектры радионуклидов ¹³⁷Cs (1) и ⁶⁰Co (2), полученные на одном кристалле CsI(Tl) с различным количеством фотоприемников: с одним (а), с четырьмя (б).

Для регистрации аппаратурных спектров использовался спектроанализатор “Колибри” [7], предназначенный для преобразования импульсных сигналов с детектора ионизирующего излучения с последующим накоплением, преобразованием и выводом информации в виде получаемых амплитудных спектров.

Предварительное моделирование такой системы методом Монте-Карло позволило оптимизировать ее геометрические параметры. Для этого было выполнено моделирование изображений источников сканирующими системами с различными размерами и формой антиколлиматора (шар, цилиндр) и расстояниями между детектором и антиколлиматором. Моделирование выполнялось для сцинтиллятора CsI(Tl) в форме шара объемом 6 см³ и антиколлиматора из свинца. Анализ результатов моделирования показал, что оптимальным является антиколлиматор в форме цилиндра высотой 4 и радиусом 1 см, размещенный на расстоянии 10 см от центра детектора.

Поворотно-наклонный механизм состоит из двух сервоприводов, один из которых осуществляет перемещение сканирующей головки по азимутальному направлению, второй – по полярному. При выборе привода для поворотно-наклонного механизма рассматривалось несколько основных вариантов: асинхронный двигатель с редуктором, коллекторный двигатель, шаговый двигатель, бесколлекторный двигатель и сервоприводы. Однако поскольку для решения поставленной задачи требуется точное позиционирование детекторной головки, то в качестве вращающего элемента поворотно-наклонного механизма были выбраны сервоприводы. В качестве механического привода сканирующей системы применялся сервопривод с крутящим моментом до 18.5 кг·см, позволяющий устанавливать и удерживать угол направляющего вала в диапазоне от 0 до 180° с высокой точностью. Питание обеспечивалось от стабилизированного источника постоянного тока, управление осуществлялось контроллером поворотного механизма.

Для получения оптического изображения при создании сканирующей системы с антиколлиматором был применен ультралегкий (3 г) бескорпусной модуль видеокамеры с разрешением 8 Мпикселей. Высокая скорость работы обеспечивается передачей данных по специальному видеовходу CSI (Camera Serial Interface).

Управление системой осуществляется с помощью одноплатного компьютера со специально разработанным приложением, пользовательский интерфейс которого позволяет с помощью видеокамеры определить область интереса, установить координатные параметры и осуществить сканирование в этой области, а также запустить фоновое измерение сканера.

Для установки необходимого положения детектирующей головки управляющий компьютер направляет команду контроллеру поворотного механизма. Контроллер посылает команды с соответствующими значениями координат на каждый сервопривод. После установления нового положения управляющий компьютер подает сигнал о получении фотоснимка с видеокамеры, данное изображение отображается в окне пользовательского интерфейса программы и сохраняется в заданной директории. Затем управляющий компьютер направляет команду к старту измерения с указанием текущей позиции и заданного времени измерения. Сигнал с детектора обрабатывается спектроанализатором и поступает на персональный компьютер в формате спектра из 1024 каналов по стандартному последовательному интерфейсу RS-232.

СЦЕНАРИЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ

Окончательным результатом работы гамма-сканера является получение информации в виде наложения картин оптического и γ-изображений обследуемой области.

Для получения указанного результата дальнейшие действия реализуются тремя этапами. Поскольку первичная информация γ-изображения является теневой, то для преобразования ее путем инвертирования необходимо получить дополнительный фоновый спектр. Эта процедура является первым этапом. Фоновый спектр – это спектр от всех источников в помещении, получаемый в таком положении детектирующей головки, когда антиколлиматор находится вне области сканирования, например ось детектор–антиколлиматор расположена вертикально. В дальнейшем этот спектр используется для получения разностных спектров, которые являются основой для инвертирования теневых изображений.

На втором этапе требуется формирование массива спектров в каждой точке сканирования области интереса, которое выполняется в автоматическом режиме. Для старта измерений оператор задает начальную и конечную точки сканирования, шаг перемещения и время измерения в каждой точке сканирования. После этого управляющая программа компьютера приступает к исполнению алгоритма измерений: в каждой точке сканирования детектирующая головка фиксирует свое положение на время измерения, формируется спектр, соответствующий данному положению, и осуществляется фотоснимок, затем детектирующая головка перемещается в новое положение.

На третьем этапе полученные данные объединяются в массив, а разностные спектры обрабатываются для восстановления картины распределения активности итерационным методом с помощью программы, использующей метод максимального правдоподобия. Затем с использованием специальных программно-технических средств выполняется сшивка оптических снимков в панорамное изображение и наложение на него γ-изображения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Возможность применения антиколлимационного метода сканирования для визуализации распределения гамма-загрязнений определялась модельным экспериментом. Для этого на координатной сетке (рис. 5а) располагались два источника с радионуклидом ¹³⁷Cs. На рис. 5б приведены результаты сканирования, на рис. 5в – результаты восстановления. Целью данного модельного эксперимента была оценка качества восстановления изображения источников излучения. Чтобы исключить неточность позиционирования детекторной головки при работе в автоматическом режиме, сканирование выполнялось по узлам координатной сетки, соответствующим угловому шагу 5° в ручном режиме с использованием лазерной указки. Угловое расстояние между источниками составляло 5°. Измерения проводились с использованием двух источников γ-излучения разной активности при соотношении 2 : 1.

Рис. 5.

Схемы расположения двух точечных источников на сетке сканирования (а), результаты измерений (б) и восстановления (в) распределений источников с помощью гамма-сканера с антиколлиматором.

Как видно из рис. 5, восстановленные изображения имеют очень хорошее пространственное разрешение. При измерении № 1 источники размещались равноудаленно от узлов сетки сканирования, поэтому восстановленное изображение максимально точно демонстрирует расположение и соотношение активностей источников. При измерении № 2 положения источников были смещены случайным образом, и при восстановлении наблюдаются незначительные артефакты при достаточно точной локализации.

Для восстановления распределения источников γ-излучения была определена аппаратная функция гамма-сканера с антиколлиматором, которая представляет собой зависимость скорости счета в пике полного поглощения от углового положения точечного источника относительно оси детектор–антиколлиматор. Ширина полученной функции на половине высоты составила 10°.

Возможность применения гамма-сканера с антиколлиматором для идентификации радионуклидного состава загрязнения демонстрирует эксперимент по визуализации источников ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co. В области интереса размещались точечный источник с радионуклидом ⁶⁰Co и протяженный источник с радионуклидом ¹³⁷Cs сложной Г-образной формы. Сканирование выполнялось в автоматическом режиме с шагом 4° по каждому направлению. Процедура восстановления изображений источников по результатам сканирования осуществлялась методом максимального правдоподобия. На рис. 6 показаны результаты наложения γ-изображений, полученных по результатам измерения, на панорамное фото обследуемого объекта. На рис. 6а приведены результаты измерений, а на рис. 6 показаны восстановленные изображения источников γ-излучения с радионуклидами ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co в области интереса. По результатам обработки экспериментальных данных для каждого радионуклида получены восстановленные изображения источников, которые не только определяют их более точное расположение, но также различают сложную структуру источника ¹³⁷Cs.

Рис. 6.

Результаты измерений (а) и восстановления (б) распределений источников ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co с помощью гамма-сканера с антиколлиматором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан легкий, малогабаритный гамма-сканер с антиколлиматором, что позволило почти на порядок сократить его массу по сравнению с системами, основанными на сканировании с коллиматором. Использование таких систем также сокращает время сканирования за счет однократного “фонового” измерения, позволяет идентифицировать источники γ-излучения с угловым разрешением до 5°. Результаты лабораторных испытаний показали, что данная реализация системы сканирования обеспечивает стабильную работу в условиях мощности дозы в точке размещения до 0.1 мЗв/ч. Предложенный способ получения γ-изображения позволяет не только визуализировать расположение радиоактивных источников на загрязненных объектах, но и идентифицировать их радионуклидный состав.

Следует отметить, что стоимость изготовления такой системы значительно ниже, чем изготовление устройства на основе любого другого метода визуализации γ-изображения, поскольку в данном случае не требуется применение сложных элементов, таких как позиционно-чувствительные детекторы, массивная защита с соответствующим поворотным механизмом и т.д.