Мировая энергетика и ядерные технологии

Разработанные системы с КА, их детекторы и параметры

Глава содержит описание разработанных систем, используемых в них детекторов и масок, описание лабораторных измерений и полученных характеристик приборов. В четырех камерах используется сцинтилляционный ПЧД. Регистрация излучения происходит в сцинтилляционном диске. Чувствительность и пространственное разрешение определяются толщиной сцинтиллятора. Эти величины были оптимизированы при разработке пинхольных камер. Свет, образующийся в сцинтилляторе при поглощении -излучения, собирается в ЭОП и усиливается в нем. Усиленный световой сигнал с электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) считывается цифровой ПЗС- камерой.

Такой сцинтилляционный детектор сравнительно дешев и имеет достаточную чувствительность. В рассмотренных камерах он был реализован с использованием разных типов перечисленных компонентов. Некоторые системы на основе сцинтилляционных детекторов имели также пинхольную апертуру, и поэтому для этих систем проводилось сравнение получаемых характеристик для обоих типов апертур.

Раздел 2.1 посвящен описанию камеры КИ – САИК, разработанной в рамках программы по технологиям мониторинга, проводимой в России под наблюдением фирмы САИК, США. Камера является единым измерительным блоком (рис.5), который соединен кабелем с управляющим компьютером. Измерительный блок включает измерительную головку, блок электроники, заслонку и портативную цветную видеокамеру. Заслонка и видеокамера вынесены в отдельный ящик, расположенный перед маской. Заслонка, открывающая и закрывающая маску, представляет собой свинцовый цилиндр (диаметр 90 мм, толщина 27 мм). На заслонке смонтирована видеокамера. Блок электроники включает электронику ПЗС-камеры, электронику видеокамеры, высоковольтный блок питания ЭОПов, управление этим блоком, интерфейсные платы для связи отдельных плат электроники между собой и с компьютером. Электроника помещена в отдельный ящик, который одновременно служит подставкой для измерительной головки и заслонки. Суммарный вес измерительного блока составляет 67 кг, вес измерительной головки - 55 кг.

Измерительная головка включает комбинированный детектор сцинтиллятор + ЭОП + ПЗС, свинцовую защиту и кодирующую маску (рис. 6). Толщина боковой защиты составляет от 20 до 25 мм.

Детектор включает в себя сцинтиллятор, два электронно-оптических преобразователя и ПЗС-матрицу. Электронно-оптические преобразователи помимо усиления обеспечивают масштабирование (4.5 : 1) изображения между сцинтиллятором и ПЗС. Используется низкошумящая ПЗС-матрица с Пельтье-охлаждением.

Получение достоверной теневой картины является необходимым условием корректного восстановления исходного -изображения. Главной причиной отличия регистрируемой теневой картины от реального распределения интенсивности -излучения в плоскости детектора является неоднородность чувствительности детектора по его площади.

Эксперименты показали, что отсутствие учета неоднородности чувствительности детектора радикальным образом влияет на качество восстанавливаемых -изображений. Большая неоднородность чувствительности этого ПЧ-детектора может привести даже к полной потере формы визуализируемого объекта. Так, изображение кольцевого источника рис. 7 (1) восстановлено декодированием теневой картины, непосредственно зарегистрированной в эксперименте. Можно видеть, что идентифицировать форму объекта при этом не удается. Изображение на рис. 7(2) восстановлено с учетом неоднородности чувствительности детектора по той же самой теневой картины. Сравнение этих изображений позволяет сделать заключение о важности получения максимально достоверных теневых картин при использовании метода кодирующих апертур. В камере-обскуре неоднородность чувствительности детектора не влияет на получаемые изображения столь радикальным образом.

Предварительно теневые картины обрабатываются временным медианным фильтром, который устраняет следы прямого взаимодействия -квантов с ПЗС-матрицей. Разработан новый итерационный декодирующий алгоритм для уменьшения шума в восстанавливаемом изображении. Еще один декодирующий алгоритм (описан в главе 3) позволяет существенно улучшить угловое разрешение прибора без потери его чувствительности. Изображение 4 на рис. 7 восстановлено с применением данного декодирующего алгоритма. При его получении использовались три независимых

 

Рис. 8. Изображение небольшого распределенного источника Am-241 в –микроскопе

разбиения теневой картины. Видно значительное улучшение качества изображения за счет улучшения углового разрешения прибора по сравнению с изображением на рис. 7 (3), восстановленным с использованием одного разбиения. В настоящее время количество разбиений увеличено до нескольких десятков.

На основе камеры КИ-САИК была сделана система «-микроскоп», реализующая возможность получения изображений мелких -источников. Для этого используется сцинтилляционный детектор и маска типа MURA 11-ого ранга из танталовой фольги толщиной 0,5 мм с малым размером элементов. Шаг структуры маски 0,5 мм, диаметр отверстий - 0,37 мм. Расстояние маска ‑ детектор в несколько раз больше расстояния маска‑объект, при этом получается увеличенное изображение источника. На рис. 8 приведено изображение источника Am-241. Круглая вставка ‑ тот же объект, снятый в другом положении. Видно, что структура объекта хорошо воспроизводится. При оптимизации толщины детектора гамма-микроскоп с кодирующей апертурой позволяет быстро получать изображения источников с пространственным решением 300 микрон.

В разделе 2.2 описана камера с КА на основе сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора КАРТОГАМ. По сравнению с другими пинхольными камерами камера КАРТОГАМ очень компактна: диаметр – 8 см, длина 40 см, а вес ~ 17 кг. Детектор состоит из сцинтиллятора CsI(Tl) (толщина 4 мм, диаметр примерно 35 мм), усилителя изображения – ЭОПа на основе МКП и ПЗС камеры для считывания изображения. В базовой конфигурации используются двухконусные коллиматоры из вольфрама с полем зрения 30° и 50°. Особенностью камеры является получение видео изображения через отверстие пинхольного коллиматора с помощью той же ПЗС матрицы, которая используется для считывания света сцинтиллятора. Таким образом, сохраняется малый поперечный размер камеры. При этом полностью исключается параллакс в получаемых оптическом и -изображениях, но возникает значительное неудобство в работе с камерой. При использовании КА оптическое изображение получается внешней видеокамерой.

Были разработаны и изготовлены с помощью электроэрозионной резки 3 маски из сплава вольфрама. Маски основаны на шестиугольном URA узоре (рис. 10). Их особенности – малый размер и точная шестиугольная форма отверстий. Открытая область центрального узора имеет площадь примерно 1.9 см2.

В лабораторных экспериментах были измерены зависимость чувствительности по полю зрения (уменьшается всего на 30% от центра к периферии) и угловое разрешение. Угловое разрешение слабо меняется от энергии излучения источника. Для пинхольного коллиматора это изменение более значительно, и разрешение для Co-60 примерно в 1,5 раза хуже, чем Cs-137 (таблица 1).

Интересная особенность масок типа hURA состоит в том, что маска превращается в свою противоположность – антимаску при повороте на 60°. Если вычесть два теневых изображения, одно сделанное для маски в основном положении, а другое - в положении антимаски, то фон (часть сигнала, который не промодулирована маской) будет устранен.

Таблица 1. Разрешение камеры с разными масками для источников Cs-137 и Co-60 (пиксели и градусы), определяемое как FWHM пика в изображении источника.

Cs-137

Co-60

пиксели

град

пиксели

Град

Ранг 6

 66±5

3

64±5

 3

Ранг 9

 49±3

2,2

60±8

 2,6

Пинхол 30 0

2,3

3,2

Пинхол 50 0

4,6

6,7

Для проверки этого свойства был проведен эксперимент: источник Cs-137 поместили на расстоянии 7 м от камеры в поле ее зрения, а источник Co-60 - сбоку от камеры для создания высокого фона, как показано на рис. 11. Восстановленные изображения, полученные без поворота маски и с применением процедуры поворота, показаны на рис. 12. В последнем случае наблюдается значительное уменьшение уровня фона, так как контраст возрастает с 83 % до 98 %, а увеличение отношения сигнал - шум составляет от 6.9 до 28.1 для того же самого полного времени экспозиции.

Процедура маска-антимаска позволяет также: 1) снизить влияние фоновых подсветок видимым излучением в детекторе (они возможны в случае Картогам), 2) устранить влияние неидеальности маски, имеющей конечную толщину, приводящее к разному изменению прозрачности открытых элементов маски (в зависимости от окружения данного элемента – прозрачные или непрозрачные элементы) при смещении источника от оси системы. Второй эффект уменьшается для масок с отверстиями, имеющими диаметр отверстий меньший чем шаг узора маски.

Были оценен предел чувствительности камеры с кодирующей апертурой. Источник Cs-137 был размещен на расстоянии от 20 м камеры. Мощность дозы в местоположении камеры была 120 нГр/ч. Рис. 22 демонстрирует, что при этой мощности дозы источник детектируется через десять минут.

В разделе 2.3 описана камера КИ-НУКЕМ. Ее разработка является продолжением совместных работ по системам получения -изображений для использования при обращении с РАО. Первая камера имела пинхольный коллиматор и детектор, аналогичный системе КИ-САИК с двумя ЭОПами с электростатическим усилением и электронной оптикой. Камера имела встроенный компьютер с сенсорным экраном. Камера с КА имеет тот же детектор. Используется маска из сплава вольфрама с гексагональным узором типа URA 9 ранга, толщина маски 6 мм, шаг узора маски 2,3 мм, диаметр отверстий 1,9 мм. Особенностями конструкции камеры являются встроенный компьютер, управляющий всеми системами камеры и связанный по локальной сети (проводной или беспроводной) с удаленным компьютером оператора, и механизм для поворота маски, управляемый встроенным компьютером. Камера разработана и используется для проведения картирования -загрязнения в условиях высокого и низкого радиационного фона и для характеризации радиоактивных отходов. 

Схема измерительного блока и детектора камеры приведена на рис. 15. Детектор камеры включает охлаждаемую ПСЗ-матрицу и два электростатических ЭОПа. Фотография камеры со стороны маски (рис 15, справа) показывает расположение механизма поворота маски и оптической USB камеры. Камера имеет следующие параметры: диапазон энергии 60 – 1500 кэВ, FoV -изображения ~ 30o, угловое разрешение для Cs-137 ~ 1.8o, чувствительность 0.02 мкГр для Cs-137. Вес измерительного блока примерно 30 кг.

 

Рис. 15 Схема камеры (слева): 1 ‑ вставка и 2 ‑ ПХ коллиматор; 3‑ USB видео камера; 4‑сцинтилляционный диск; 5 и 6 ‑ ЭОПы; 7‑ ПЗС камера; 8‑ электронные платы; 9‑ блок питания; 10‑ одноплатный компьютер; 11‑ экран; 12 ‑ корпус и устройство механизма поворота маски и оптической USB камеры (справа).

В разделе 2.4 представлена камера КИ-МКП, разработанная для проведения измерений остаточного -загрязнения при реабилитационных работах в РНЦ КИ. Эта камера со сцинтилляционным детектором, использующим ЭОП с МКП усилением света. Для проведения работ по -картирования в условиях высокого фона старый ЭОП детектора камеры заменен на современный ЭОП BV 2584 фирмы Прокситроник (Германия) с входным окном диаметром 25 мм, а вместо пинхольнного коллиматора в новой версии камеры используется маска из тантала 9 ранга (толщина ‑ 4 мм, шаг узора маски ‑ 1,9 мм, диаметр отверстий – 1,7 мм). Камера используется для проведения картирования в условиях высокого и неоднородного радиационного фона.

Сравнение чувствительности различных систем со сцинтилляционными детекторами, выраженной в виде экспозиционной дозы, необходимой для обнаружения точечного источника Cs-137 (изображение источника с ОСШ @5), приведено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение чувствительности систем с КА на основе сцинтилляционных детекторов.

 Cs-137

Чувствительность мкГр( =100мкР)

A, Бк

L, м

МЭД, мкГр/ч;

t, мин

КИ-SAIC

0.015

1×108

10

0.08; 11

КИ-NUKEM

0.005

0.02

1.1×109

7×104

10

0,3

0.9; 0,3

0.04; 30

КАРТОГАМ - КА

0.004

6×108

20

0.12; 2

КИ-МКП

0.007

5×106

2

0.09; 5

Раздел 2.5 посвящен разработке систем с полупроводниковым ПЧД с платой Medipix2. Электронная плата Medipix2 для считывания сигналов полупроводниковых ПЧД была разработана коллаборацией Medipix2 [3] в ЦЕРНе. Она основана на многопиксельной ASIC (application-specific integrated circuit) и включает 256 х 256 ячеек (пикселей). Каждый пиксель имеет размер 55х55 мкм2 и содержит: зарядо-чувствительный предусилитель с формирователем импульса, уставки двух порогов и 13-битовый оцифровщик. Чип подходит для детекторов из различных материалов (Si, GaAs, Cd(Zn)Te и др.), так как он может работать как в «электронном», так и «дырочном» режиме регистрации. Плата Medipix2 превращается в ПЧД при стыковке с полупроводниковой пластиной, которая предварительно обрабатывается для получения пиксельной структуры ‑ на каждый пиксель специальным припоем наносится выступ для контакта с электродами чипа.

 

Рис. 16. Маска hURA 13-го ранга, схема ее базового узора и увеличенное изображение небольшой области шестиугольного узора.

 

Рис. 17. Изображение источника Am-241 активностью 74МВк. Расстояние ‑ 1 м, МЭД ‑ 200 нГр/час, экспозиция ‑10 минут

Гамма-изображения с кодирующими апертурами были получены с использованием CdTe детектора толщиной 1 мм и Si детектора толщиной 0,3 мм. Для экспериментов была изготовлена маска hURA 13-го ранга (рис 2.29.). Толщина маски 0,5 мм, средний диметр отверстий 0,32 мм (имеется незначительная конусность), шаг структуры узора 0,5 мм. Размер базового узора 12 мм. Были проведены опыты с Si детектором толщиной 0,7 мм и источником Am-241.

 Полученные изображения точечных источников показывают эффективность применения кодирующих апертур даже при большой прозрачности теневых элементов масок. Изображение источника Am-241 приведено на рис 17.

Последние версии чипа Medipix2 имеют USB интерфейс с компьютером. С использованием такой платы была создана портативная сверхлегкая -камера со следующими характеристиками: поле зрения 33о, угловое разрешение 1,5о, чувствительность для Am-241 0,02 мкГр (Si 0,7 мм), для Cs-137 0,2 мкГр (CdTe 1 мм). Вес 265 г.