СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ ПОРТАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА И ВСТРОЕННЫЙ В НЕГО ОПТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД
HIGHER-STRENGTH SCINTILLATION DETECTOR FOR PORTAL MONITORING AND WAVE GUIDE BUILT THEREIN

Предпосылки создания изобретения
Данное изобретение относится, в основном, к детекторам радиоактивного излучения и, более конкретно, к системе подвеса и защиты детекторов радиоактивного излучения портального мониторинга.
Существующие детекторы радиоактивного излучения портального мониторинга во время обычного использования часто подвергаются различным степеням ударов или вибраций. В некоторых случаях степень воздействия ударов или вибраций может быть весьма тяжелой. Вредные воздействия ударов и вибраций могут включать в себя высокий фон детектора, помехи в спектральной плотности амплитуд детектора и даже поломку детектора.
Существующие системы амортизации ударов и вибраций для детекторов радиоактивного излучения обычно состоят либо из эластомерного чехла, который выдвигается над детектором радиоактивного излучения, либо из пенопластовой прокладки, которая обернута вокруг детектора радиоактивного излучения. Из-за ограничений размеров в детекторах радиоактивного излучения портального мониторинга эти способы обычно даже не пытаются применять. Во многих случаях кристаллический элемент детектора просто оборачивают отражающим материалом и затем вставляют в корпус из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Обычный кристаллический элемент имеет форму прямоугольника 2"×4" длиной 16" (дюймов). Он может иметь другие формы, однако, общепринятый вариант представляет собой квадрат 4"×4" также длиной 16". Затем эти прямоугольные и квадратные кристаллические элементы обычно подсоединяют к фотоэлектронному умножителю (ФЭУ). В обычных детекторах радиоактивного излучения портального мониторинга используют круглые ФЭУ, которые легко обеспечивают и стремятся иметь постоянную разрешающую способность, независимо от того, где свет взаимодействует с фотокатодом. Кристалл подсоединяют к круглому ФЭУ с псевдозакругленным прямоугольным оптическим волноводом, который имеет эффективность приблизительно 65%, основанную на площади поверхности 8" квадратных дюймов для кристалла, подвергаемого воздействию приблизительно 65% площади поверхности ФЭУ (для 3" круглого ФЭУ). Кристалл и ФЭУ обычно приклеивают к стыку оптического волновода, но они, однако, часто отсоединяются из-за ударов, вибраций, температурных колебаний или других обычных воздействий в условиях эксплуатации. Кроме того, корпус из нержавеющей стали и любые внутренние амортизирующие системы, которые можно использовать, обычно снижают эффективность детектора относительно измерения гамма-излучения на низких уровнях энергии из-за их ослабляющих воздействий.
Наконец, оптические волноводы и фотоэлектронные умножители (ФЭУ), используемые в этих типах детекторов, не оптимизированы для передачи и сбора светового излучения.
Краткое описание изобретения
Данное изобретение обеспечивает детектор радиоактивного излучения портального мониторинга повышенной прочности с уникальной системой подвеса/защиты. В общем, детектор включает в себя сцинтилляционный кристалл (обычно йодид натрия, легированный таллием, но не чрезмерно); систему осевого подвеса как для ФЭУ, так и для сцинтилляционного кристалла; систему радиального подвеса для сцинтилляционного кристалла, для его защиты от ударов и вибраций и снижения затухания гамма-излучения; оптически смоделированный оптический волновод для передачи светового излучения, генерируемого кристаллом, в ФЭУ; квадратный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ); и алюминиевый корпус, окружающий кристалл, для дополнительного снижения затухания низкоуровневого гамма-излучения.
Более конкретно, кристалл в описываемом варианте осуществления изобретения имеет либо прямоугольную, либо квадратную конфигурацию. Кристалл может быть кристаллом йодида натрия, легированным таллием (Nal(Tl)). Такие кристаллы используются в детекторах радиоактивного излучения с 1920 года и имеют хорошо известные свойства в отношении чувствительности к гамма-излучению, спектрального разрешения и светоотдачи.
Детектор в описываемом варианте осуществления изобретения включает в себя квадратный ФЭУ, обычно используемый для получения изображений в медицинских применениях. Эти ФЭУ также легко получать, и, как известно, они имеют превосходные характеристики спектрального разрешения. В детекторе используют кварц в качестве материала выбора для оптического волновода; однако, также можно использовать материалы с аналогичными показателями преломления, если они предполагают дополнительные преимущества, такие как сниженная стоимость, легкость изготовления и т.д.
Система радиального подвеса детектора содержит пластмассовые угловые кронштейны или направляющие, расположенные на всех четырех продольных угловых изгибах прямоугольного кристалла, проходящие приблизительно вдоль 90% его длины. Эти пластмассовые угловые кронштейны можно изготавливать из любой подходящей и легкодоступной пластмассы, которая имеет низкий коэффициент трения. Пластмассовые угловые кронштейны облицованы по своим внутренним поверхностям ударопоглощающим пенопластом. Этот пенопласт является пенопластом вязкоупругого типа, который имеет высокую степень амортизации ударов, а также действует как ослабляющий вибрацию материал при сжатии. Однако можно использовать другие типы пенопласта, если они являются подходящими для этой цели. Поскольку угловые кронштейны установлены вдоль четырех продольных угловых изгибов кристалла, когда он вставлен в корпус, они находятся при некоторой степени сжатия, что обеспечивает им возможность, таким образом, ослаблять вибрацию и защищать кристалл от ударов. Дополнительно, аналогичные облицованные пенопластом направляющие можно разместить вдоль четырех лицевых поверхностей кристалла с соответствующим зазором для подвешивания кристалла внутри корпуса и на расстоянии от боковых стенок.
Система осевого подвеса детектора включает в себя две кольцевые волновые пружины, расположенные на одном конце кристалла, отдаленном от ФЭУ. Для равномерного распределения нагрузки пружин и кристалла с обеих сторон от пружин расположены сжимающие пластины. Устройство осевого подвеса также содержит кольцевую волновую пружину вокруг основания ФЭУ. Эти пружины осевого подвеса используют для поддерживания оптической связи между кристаллом, оптическим волноводом и ФЭУ. В связи с другими элементами конструкции можно использовать пенопластовые прокладки или другие аналогичные материалы для достижения такого же результата, что и с волновыми пружинами, либо вокруг ФЭУ, либо на концах кристалла.
Корпус детектора содержит основной корпус или корпус кристалла, окружающий кристаллический элемент, и цилиндрическую крышку, которая закрывает ФЭУ и связанный электронный модуль. Участок основного корпуса может состоять из тонкостенного алюминиевого материала, который уменьшает степень возникающего ослабления гамма-излучения, таким образом обеспечивая возможность измерения детектором более низких уровней энергии гамма-излучения. Дополнительно, с объединением системы подвеса, как описано выше, кристалл смещен от стенки корпуса, таким образом предоставляя возможность дополнительной защиты стороны детектора, когда корпус некоторым образом получает удар. Наконец, поскольку кристалл не находится в тесном контакте с металлом, между ним и корпусом образуется воздушный зазор или слой изолирующего воздуха. Таким образом, кристалл также менее вероятно будет страдать от теплового удара.
Соответственно, согласно одному аспекту изобретения предусмотрен детектор радиоактивного излучения, содержащий корпус, удлиненный прямоугольный кристалл, имеющий четыре продолжающихся в продольном направлении угловых изгиба, и фотоэлектронный умножитель, причем оба подвешены в корпусе, с оптическим волноводом, расположенным в осевом направлении между соответствующими торцевыми поверхностями фотоэлектронного умножителя и кристалла; и множество удлиненных направляющих, проходящих вдоль соответствующих продолжающихся в продольном направлении угловых изгибов прямоугольного кристалла, создавая воздушный зазор между кристаллом и корпусом.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен детектор радиоактивного излучения, содержащий прямоугольный корпус, удлиненный прямоугольный кристалл, имеющий четыре продолжающихся в продольном направлении поддерживаемых угловых изгиба и поддерживаемый в корпусе фотоэлектронный умножитель с оптическим волноводом, поддерживаемым в осевом направлении между фотоэлектронным умножителем и кристаллом; и множество удлиненных угловых кронштейнов, продолжающихся вдоль соответствующих удлиненных угловых изгибов прямоугольного кристалла; при этом фотоэлектронный умножитель является по существу квадратным в поперечном сечении; оптический волновод имеет по существу квадратную лицевую поверхность, сопряженную с фотоэлектронным умножителем, и по существу прямоугольную лицевую поверхность, сопряженную с кристаллом.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрен детектор радиоактивного излучения, содержащий корпус, удлиненный прямоугольный кристалл, имеющий четыре продолжающихся в продольном направлении угловых изгиба, и фотоэлектронный умножитель, оба подвешены в корпусе, с оптическим волноводом, расположенным в осевом направлении между соответствующими торцевыми поверхностями фотоэлектронного умножителя и кристалла; множество направляющих, включающих в себя ударопоглощающий материал, продолжающийся вдоль кристалла, создающих промежуток между кристаллом и корпусом для защиты кристалла от радиальных ударов и вибрации; и множество упругих элементов, находящихся напротив концов кристалла, для защиты кристалла от осевых ударов и вибраций.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрен оптический волновод для связи сцинтилляционного кристалла с фотоэлектронным умножителем, содержащий прямоугольную лицевую поверхность для сцепления с имеющей подобную форму лицевой поверхностью на сцинтилляционном кристалле и квадратную лицевую поверхность для сцепления с имеющим подобную форму фотоэлектронным умножителем.
Изобретение будет подробно описано со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает вид спереди в перспективе детектора радиоактивного излучения портального мониторинга в соответствии с первым описываемым вариантом осуществления изобретения;
фиг.2 изображает вид сбоку детектора, показанного на фиг.1;
фиг.3 изображает вид спереди детектора, показанного на фиг.1 и 2;
фиг.4 изображает вид в перспективе в разобранном виде детектора, показанного на фиг.1-3;
фиг.5 изображает вид в перспективе элемента оптического волновода, взятого из фиг.4;
фиг.6 изображает вид спереди оптического волновода, показанного на фиг.5; и
фиг.7 изображает вид снизу детектора, показанного на фиг.6.
Подробное описание изобретения
Обращаясь теперь к фиг.1-3, отметим, что детектор 10 радиоактивного излучения портального мониторинга содержит корпус, включающий в себя основной корпус или корпус кристалла, обозначенный позицией 12, и крышку 14 ФЭУ, объединенные вместе в средстве 16 для сопряжения корпуса. Участок 12 основного корпуса имеет в общем удлиненную прямоугольную форму, имеющую верхнюю и нижнюю стенки 18, 20, боковые стенки 22, 24 и торцевую стенку 26. Противоположный конец корпуса кристалла расширен, особенно в отношении размера высоты корпуса, и включает в себя верхнюю и нижнюю стенки 28, 30, боковые стенки 32, 34 и снабженную отверстиями торцевую стенку 36, присоединенную к оставшейся части основного корпуса 12. Противоположная торцевая стенка 37 (также снабженная отверстиями) подогнана по размеру для соединения с имеющим аналогичную форму фланцем 38 на одном конце в остальной цилиндрической крышке 14 ФЭУ, облегчая соединение корпуса 12 кристалла и крышки 14 ФЭУ с помощью винтовых крепежных деталей 40 или других подходящих средств. Корпус 12 кристалла можно конструировать из тонкостенного алюминия, который уменьшает степень обнаружения гамма-излучения, обеспечивая возможность измерения более низкоуровневого гамма-излучения.
Обращаясь теперь к фиг.4, отметим, что внутренние элементы детектора 104 показаны в разобранном виде. Основными элементами являются сцинтилляционный кристалл 42 и ФЭУ 44, расположенные на противоположных сторонах оптического волновода 46 и приклеенные к ним.
Кристалл 42 показан обернутым лентой из отражающего материала (например, из Teflon (Тефлон)) и имеет соответствующие размеры и форму для устанавливания внутри основного корпуса 12 или корпуса кристалла, с зазором для вмещения системы подвеса, дополнительно описываемой здесь. Сам кристалл может быть кристаллом йодида натрия, легированного таллием (Nal(Tl)). Обычными размерами для кристалла могут быть ширина 2" × глубина 4" × длина 16" или ширина 4" × глубина 4" × длина 16". Эти конкретные размеры являются не исключительными, а представляют общие границы, которые специалисты в данной области техники прежде использовали для конструирования детекторов радиоактивного излучения для этих целей.
ФЭУ 44 в описываемом варианте осуществления имеет квадратную форму. Для детектора с кристаллом типа 2"×4"×16" можно использовать квадратный ФЭУ 3"×3".
Оптический волновод 46 (см. также фиг.5-7) вставлен между кристаллом 42 и ФЭУ 44 и имеет прямоугольную лицевую поверхность 48 для сцепления с имеющей подобную форму лицевой поверхностью 50 кристалла и квадратную лицевую поверхность 52 для сцепления с имеющей подобную форму лицевой поверхностью 54 ФЭУ. Это означает, что основанная на отмеченных выше размерах площадь поверхности 8 кв. дюймов, излучающая свет из кристалла, оптически связана с поверхностью оптического волновода с площадью 9 кв. дюймов, таким образом увеличивая до максимума светопередачу. Наклонные поверхности 56, 58 продолжаются между квадратной лицевой поверхностью 52 и обратной стороной прямоугольной лицевой поверхности 48, образуя фланцы 60, 62 вдоль вертикальных боковых граней оптического волновода. В процессе сборки, оптический волновод 46 ориентируют, как показано на фиг.4, и подсоединяют кристалл 42 к ФЭУ 44 посредством обычного оптического геля на его противоположных лицевых поверхностях 48 и 52. Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что оптический волновод передает свет, генерируемый кристаллом 42, в ФЭУ 44. Противоположный конец ФЭУ 44 соединен с обычным электронным модулем 64, который при сборке выступает с отдаленного конца крышки 14 ФЭУ, как видно на фиг.2, кабелями (не показаны), идущими от ввода 66 кабеля.
Пластмассовые угловые кронштейны или направляющие 68 (показаны три из четырех) расположены вдоль четырех угловых краев кристалла 42 и продолжаются приблизительно на 90% длины кристалла. Каждый угловой кронштейн включает в себя пару удлиненных краевых поверхностей 70, 72, выполненных перпендикулярно друг другу, с возможностью зацепления соответствующих перпендикулярных угловых краев кристалла. Обращенные внутрь поверхности угловых кронштейнов 68 облицованы ударопоглощающим пенопластом, например пенопластом 69 вязкоупругого типа, который характеризуется высокой степенью амортизации ударов и который также действует для ослабления вибраций при сжатии. В этом отношении угловые кронштейны в полностью собранном детекторе находятся в сжатом состоянии в направлении, по существу перпендикулярном продольной оси кристалла 42. Непосредственно кронштейны 68 конструируют из любого подходящего пластмассового материала с низким коэффициентом трения, чтобы облегчить скользящее введение кристалла 42 в основной корпус 12. Это размещение также обеспечивает воздушный зазор между кристаллом и корпусом со всех четырех сторон кристалла. Этот слой изолирующего воздуха обеспечивает дополнительную тепловую и ударную защиту для кристалла. В альтернативном размещении в общем подобные облицованные пенопластом направляющие можно разместить вдоль четырех лицевых поверхностей кристалла, с угловыми кронштейнами или направляющими или без них.
Система подвеса детектора также содержит пару кольцевых волновых пружин 74, 76, размещенных по оси между парой прямоугольных сжимающих пластин 78, 80 (например, из нержавеющей стали толщиной 0,030 дюйма). Пружины изготовлены из подходящего металла, но могут быть также керамическими. Эту сборку пластин и пружин размещают по оси между передней лицевой поверхностью 88 кристалла 14 и передней торцевой стенкой 26 корпуса 12. Подобную, но большего диаметра кольцевую волновую пружину 82 также размещают вокруг одного конца электронного модуля 64, прокладывая между кольцеобразным фланцем 84 и торцевой стенкой 86 крышки 14 ФЭУ. Таким образом, кристалл 42 защищен от ударов и вибраций не только радиальной системой подвеса, но также и осевой системой подвеса, которая, кроме того, максимально увеличивает связь кристалла 42 и ФЭУ 44 с оптическим волноводом 46. Должно быть понятно, что волновые пружины 74, 76 и 82 можно заменить подходящими пенопластовыми прокладками или другими подходящими упругими элементами.
Испытание, проведенное с описанным выше детектором, показало, что фактически нет никакой потери спектрального разрешения или светоотдачи при использовании конфигурации кристалла, ФЭУ и оптического волновода, как описано выше.
Детектор, как он описан, можно использовать в качестве детектора гамма-излучения внутри здания и помещать около входа, через который могут проходить люди и транспортные средства, груз или другие подобные вещи. Он также может быть выгоден во входах, которые "воспринимают" сильные вибрации, например около поездов и т.п.
Хотя изобретение было описано в связи с тем, что, как полагают, в настоящее время является самым практичным и предпочтительным вариантом осуществления, следует понимать, что изобретение не должно быть ограничено раскрытым вариантом осуществления, но напротив, оно предназначено для того, чтобы охватить различные модификации и эквивалентные устройства, включенные в объем и сущность прилагаемой формулы изобретения.
Перечень элементов
10 - Детектор радиоактивного излучения портального мониторинга
12 - Основной корпус или корпус кристалла
14 - Крышка ФЭУ
16 - Средство для сопряжения корпуса
18, 20 - Верхняя и нижняя стенки
22, 24 - Боковые стенки
26 - Торцевая стенка
28, 30 - Верхняя и нижняя стенки
32, 34 - Боковые стенки
36 - Снабженная отверстиями торцевая стенка
37 - Противоположная торцевая стенка
38 - Фланец
40 - Винтовые крепежные детали
42 - Сцинтилляционный кристалл
44 - ФЭУ
46 - Оптический волновод
48 - Прямоугольная лицевая поверхность
50 - Лицевая поверхность
52 - Квадратная лицевая поверхность
54 - Лицевая поверхность
56, 58 - Наклонные поверхности
60, 62 - Формовочные фланцы
64 - Электронный модуль
66 - Ввод кабеля
68 - Пластмассовые угловые кронштейны или направляющие
69 - Ударопоглощающий пенопласт
70, 72 - Удлиненные краевые поверхности
74, 76 - Кольцевые волновые пружины
78, 80 - Прямоугольные сжимающие пластины
88 - Передняя лицевая поверхность
82 - Кольцевая волновая пружина
84 - Кольцеобразный фланец
86 - Торцевая стенка
104 - Детектор