СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МОДУЛЬ ДЕТЕКТОРА С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ СВЕТОСБОРОМ

Полезная модель относится к области детектирования ионизирующего излучения, в частности к сцинтилляционным детекторам на основе пластмассовых или кристаллических сцинтилляторов, в которых для сбора и вывода излучения сцинтиллятора применяются спектросмещающие световоды. Полезная модель может быть использована для создания большеобъемных сцинтилляционных детекторов ионизирующего излучения для исследований по физике высоких энергий, ядерной физике и в различных технических приложениях.
Известны конструкции сцинтилляционных детекторов, в которых используются пластмассовые сцинтилляторы с выводом излучения при помощи спектросмещающих световодов одного типа, например детектор, описанный в патенте RU 2511601 C2 "Сцинтилляционный детектор", МПК G01T 1/202, опубликован 10.04.2014, и содержащий пластмассовый или кристаллический сцинтиллятор, спектросмещающие световоды, проходящие внутри рабочего объема и фотоприемник, к которому пристыкованы торцы спектросмещающих световодов.
Основным недостатком детекторов такого типа является тот факт, что для светосбора со всей излучающей поверхности сцинтиллятора большого объема требуется значительное число спектросмещающих световодов, вывод за пределы рабочего объема сцинтиллятора и подводка к фотоприемнику которых усложняет и удорожает детектор и может создавать неудобства с точки зрения размещения и монтажа детектора.
Устранить или минимизировать указанные выше недостатки можно с помощью использования спектросмещающих световодов двух типов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является детектор ионизирующего излучения, описанный в патенте ЕР 899588 А2, "Сцинтилляционное детектирование", МПК G01T 1/20, опубликован 03.03.1999. Сцинтиллятор данного детектора содержит спектросмещающие световоды, которые подобраны и уложены таким образом, чтобы захватывать и передавать больший процент оптического излучения, в сравнении с детекторами с одним типом спектросмещающих световодов. Это достигается благодаря использованию двух или более слоев спектросмещающих световодов разного типа, располагаемых друг над другом. Первый слой (первый тип) спектросмещающих световодов предназначен для поглощения излучения сцинтиллятора и переизлучения его с большей длиной волны. Некоторая часть переизлученных фотонов захватывается этими спектросмещающими световодами и распространяется по ним. Второй слой (второй тип) спектросмещающих световодов поглощает излучение первого слоя и переизлучает его с еще большей длиной волны. Таким образом, некоторая часть фотонов, не захваченных первым слоем спектросмещающих световодов, будет поглощена вторым слоем. Фотоприемник, например фотоумножитель или фотодиод, расположен таким образом, чтобы регистрировать излучение первого или второго слоя спектросмещающих световодов. Эмиссия и поглощение излучения, захватываемого вторым слоем спектросмещающих световодов, происходит через боковые поверхности спектросмещающих световодов.
Недостатком прототипа является увеличенное временное разрешение детектора на основе спектросмещающих световодов двух типов, за счет фотонов, переизлученных и незахваченных в первом типе спектросмещающих световодов, которые попадают в спектросмещающие световоды второго типа через их боковые поверхности.
Полезная модель устраняет данный недостаток прототипа.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение временного разрешения детектора на основе спектросмещающих световодов двух типов, за счет ограничения числа фотонов, переизлученных и незахваченных в первом типе спектросмещающих световодов, которые попадают в спектросмещающие световоды второго типа через их боковые поверхности.
wls
wls
wls
Технический результат достигается тем, что сцинтилляционный модуль детектора с двухступенчатым светосбором, содержащий пластмассовый сцинтиллятор в форме параллелепипеда и спектросмещающие световоды двух типов с одинаковым характерным размером сечения d, подобранные таким образом, чтобы первый тип поглощал излучение сцинтиллятора и переизлучал его с большей длиной волны, а второй тип поглощал излучение первого типа и переизлучал его с еще большей длиной волны, в качестве спектросмещающих световодов первого типа используются зеленые спектросмещающие световоды, а в качестве спектросмещающего световода второго типа используется оранжевый спектросмещающий световод, по середине одной из поверхностей сцинтиллятора проходит параллельно большей грани сцинтиллятора непрозрачная пластина с толщиной менее 0.5×d, длиной равной длине сцинтиллятора и шириной от 0.2 до 0.9 его ширины, на которой размещены спектросмещающие световоды обоих типов так, что оранжевый спектросмещающий световод проходит вдоль оси сцинтиллятора, параллельной большей его грани, а зеленые спектросмещающие световоды пристыкованы торцами к оранжевому спектросмещающему световоду, будучи уложенными в два ряда вплотную друг к другу в каждом ряду по обе стороны от оранжевого спектросмещающего световода на всей длине сцинтиллятора перпендикулярно его оси, длина сцинтиллятора l удовлетворяет формуле: l=n·d, где n - количество зеленых спектросмещающих световодов, при этом все размеры сцинтиллятора не должны быть меньше длины пробега в материале сцинтиллятора основной массы излучаемых источником ионизирующего излучения частиц и квантов и не должны превышать длину затухания собственного излучения в сцинтилляторе и в спектросмещающих световодах.
Для усиления оптического сигнала свободное пространство между спектросмещающими световодами и сцинтиллятором может быть заполнено оптическим клеем, внешняя поверхность сцинтиллятора покрыта белой светоотражающей эмалью, а свободные торцы спектросмещающих световодов закрыты зеркалом. Излучающая поверхность сцинтиллятора (на которой размещены спектросмещающие световоды) должна быть отполирована.
Длина затухания собственного излучения в оранжевом спектросмещающем световоде составляет ~1,5 м, следовательно, его длина и длина сцинтиллятора не должны превышать это значение для исключения значительных потерь в передаваемом оптическом сигнале. Аналогично ширина сцинтиллятора не должна превышать длину затухания собственного излучения в зеленых спектросмещающих световодах, равную ~3 м. Толщина сцинтиллятора подбирается исходя из значения пробега в материале сцинтиллятора основной массы излучаемых источником ионизирующего излучения частиц и квантов и не должна быть меньше этой величины.
Зеленые спектросмещающие световоды (первый тип) должны обладать спектром поглощения частично или полностью совпадающим со спектром излучения сцинтиллятора. Оранжевый спектросмещающий световод (второй тип) должен обладать спектром поглощения частично или полностью совпадающим со спектром излучения зеленых спектросмещающих световодов. Данные условия равнозначны тому, чтобы первый тип поглощал излучение сцинтиллятора и переизлучал его с большей длиной волны, а второй тип поглощал излучение первого типа и переизлучал его с еще большей длиной волны.
В качестве зеленых спектросмещающих световодов можно использовать световоды Kuraray Y-11(200) с максимумом длины волны излучения, равным 476 нм, а в качестве оранжевого спектросмещающего световода - Kuraray O-2(100) с максимумом длины волны излучения, равным 538 нм. Спектросмещающие световоды могут быть, например, круглого или квадратного сечения. Важным условием выбора марки сцинтиллятора является условие перекрытия спектра высвечивания сцинтиллятора и спектра поглощения зеленых спектросмещающих световодов. Этому требования отвечают, например, пластмассовые сцинтилляторы марки ПС-Н2. Сцинтиллятор может иметь габариты, например, 10×10×30 см, на длине большей грани которого в одном ряду размещены 300 зеленых спектросмещающих световодов Kuraray Y-11(200).
Непрозрачная пластина должна быть толщиной менее 1 мм для обеспечения однородного оптического контакта между сцинтиллятором и спектросмещающими световодами и может быть изготовлена из любого несцинтиллирующего непрозрачного материала.
Также устройство будет работать и при размещении спектросмещающих световодов по описанной выше схеме между двумя непрозрачными пластинами и двумя равными частями сцинтиллятора. Так, указанный выше сцинтиллятор может быть разделен на две равные части с габаритами каждой 5×10×30 см.
На граф. 1 и 2 показаны осциллограммы, полученные при облучении сцинтилляционного модуля рентгеновским излучением с энергией 300 кэВ как без использования, так и с использованием непрозрачных пластин соответственно. Толщина пластин составляла 0.2 мм, ширина - 20 мм, а длина - 300 мм. По горизонтальной оси отложено время в наносекундах, а по вертикальной - напряжение в вольтах. Длительность импульса рентгеновского излучения на половине высоты составляла ~2 нс Сцинтиллятор марки ПС-Н2 имел размеры 10×10×30 см и был разделен на две равные части с габаритами каждой 5×10×30 см. Излучение сцинтиллятора передавалось по оранжевому спектросмещающему световоду на фотоэлектронный умножитель СНФТ3. Как видно из графиков, при использовании непрозрачных пластин, временное разрешение сцинтилляционного модуля (ширина на полувысоте зарегистрированного сигнала) меньше на 2.63 нс. При дальнейшем увеличении ширины непрозрачных пластин вплоть до 0.9 ширины сцинтиллятора происходит дальнейшее уменьшение временного разрешения на фоне уменьшения амплитуды регистрируемого сигнала.
На фиг. 1 представлена схема размещения спектросмещающих световодов относительно непрозрачной пластины. На фиг. 2 представлена принципиальная схема сцинтилляционного модуля.
Принятые обозначения: 1 - зеленые спектросмещающие световоды, 2 - оранжевый спектросмещающий световод, 3 - непрозрачная пластина 4 - сцинтиллятор.
Сцинтилляционный модуль содержит сцинтиллятор 4 в форме параллелепипеда, с проходящей параллельно большей грани сцинтиллятора 4 по середине его поверхности непрозрачной пластины 3, на которой размещен оранжевый спектросмещающий световод 2, проходящий вдоль оси сцинтиллятора 4, параллельной большей его грани, а также зеленые спектросмещающие световоды 1, которые пристыкованы торцами к оранжевому спектросмещающему световоду 2, будучи уложенными в два ряда вплотную друг к другу в каждом ряду по обе стороны от оранжевого спектросмещающего световода 2 на всей длине сцинтиллятора 4 перпендикулярно его оси.
Сцинтилляционный модуль работает следующим образом: ионизирующее излучение, проходя через материал сцинтиллятора 4, возбуждает сцинтилляционное излучение, которое распространяется по нему и поглощается зелеными спектросмещающими световодами 1, в которых переизлучается в более длинноволновом диапазоне. Переизлучение происходит изотропно, в связи с чем, для транспортировки по спектросмещающим световодам захватывается в среднем четыре процента квантов высвечивания. Захваченные переизлученные фотоны распространяются в обе стороны по зеленым спектросмещающим световодам 1 и засвечивают оранжевый спектросмещающий световод 2 через их торцевые поверхности. Попавшие в оранжевый спектросмещающий световод 2 зеленые фотоны поглощаются и также изотропно переизлучается с длиной волны еще больше смещенной в красную область спектра. Полученный таким образом оптический сигнал может быть передан на фотоприемник, к которому подведен конец оранжевого спектросмещающего световода 2. Второй конец оранжевого спектросмещающего световода 2 может быть использован для организации дублирующего канала, либо также подведен к фотоприемнику.
Переизлученные фотоны, не захваченные зелеными спектросмещающими световодами 1, также могут попадать в оранжевый спектросмещающий световод 2 спустя одно или несколько отражений от стенок сцинтиллятора 4. Этот процесс приводит к увеличению времени сбора излучения сцинтиллятора 4 и увеличению временного разрешения детектора в целом. Непрозрачные пластины 3 предназначены для ограничения числа, попадающих в оранжевый спектросмещающий световод 2 переизлученных фотонов, не захваченных зелеными спектросмещающими световодами 1, что позволяет уменьшить время сбора излучения сцинтиллятора 4.
Количество зеленых спектросмещающих световодов определяется длиной большей грани сцинтиллятора таким образом, чтобы при размещении вплотную друг к другу на длине большей грани сцинтиллятора в два ряда по обе стороны от оранжевого спектросмещающего световода они бы полностью заполняли занимаемую ими поверхность сцинтиллятора и находились на ней целиком, не выходя за ее пределы.
Зеленые спектросмещающие световоды с дальней от оси сцинтиллятора стороны, а также свободный конец оранжевого спектросмещающего световода ограничены шириной и длиной сцинтиллятора соответственно.