ДЕТЕКТОР 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 EP 899588 A2, "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 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 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 невозможность вывода излучения сцинтиллятора в форме параллелепипеда с помощью одного спектросмещающего световода при светосборе со всей излучающей поверхности сцинтиллятора.
Сбор и вывод излучения сцинтиллятора осуществляется жгутами, каждый из которых состоит из непрозрачной оболочки и четырех спектросмещающих световодов, что усложняет конструкцию и приводит к удорожанию детектора в целом.
Полезная модель устраняет данные недостатки прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность вывода излучения сцинтиллятора в форме параллелепипеда с помощью одного спектросмещающего световода при светосборе со всей излучающей поверхности сцинтиллятора.
Использование одного спектросмещающего световода для вывода излучения сцинтиллятора значительно упрощает и повышает надежность экспериментов, в которых требуется вывести излучение сцинтиллятора через оптический разъем или гермопроходник.
n
n
Стоит отметить, что светосбор со всей излучающей поверхности сцинтиллятора и вывод его излучения по одному спектросмещающему световоду возможны и при использовании сцинтиллятора в форме цилиндра. Недостатком такой конструкции является тот факт, что при использовании сцинтиллятора большого объема длина спектросмещающего световода, намотанного на его излучающую боковую поверхность, может в несколько раз превышать длину затухания собственного излучения в спектросмещающем световоде, что приводит к значительному ослаблению оптического сигнала. Кроме того, фотон сцинтилляции может, с равной вероятностью, поглотиться в любой его точке, поэтому для переизлученных фотонов в спектросмещающем световоде оптический путь вдоль него будет разным. Времена прихода этих фотонов на фотоприемник отличаются на величину L/c, где L - длина спектросмещающего световода, c - скорость света в спектросмещающем световоде. Эта величина может достигать существенных значений при использовании спектросмещающих световодов большой длины и будет оказывать существенное влияние на время сбора излучения сцинтиллятора.
wis
wis
Технический результат достигается тем, что детектор с двухступенчатым светосбором, содержащий фотоприемник, светонепроницаемый корпус, в котором размещен 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, сцинтиллятор разделен на две равные части, между которыми размещены спектросмещающие световоды обоих типов так, что оранжевый спектросмещающий световод проходит вдоль оси сцинтиллятора, параллельной большей его грани, а один из его концов через оптический разъем, размещенный на боковой поверхности светонепроницаемого корпуса, соединен с кварцевым световодом, второй конец которого подведен к фотоприемнику, 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, поверхности сцинтиллятора не занятые спектросмещающими световодами, должны быть покрыты 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). Такой сцинтиллятор может быть разделен на две равные части с габаритами каждой 5×10×30 см.
В качестве оптического разъема используется разъем типа SMA. В роли фотоприемника выступает фотоэлектронный умножитель на основе мультищелочного катода, чувствительного к излучению в красной области спектра.
Смещение оптического сигнала в красную область спектра позволяет передать оптический сигнал по кварцевому световоду без заметных потерь на расстояние до 100 м, в то время как длина передачи оптического сигнала по оранжевому спектросмещающему световоду ограничена длиной затухания собственного излучения в нем, равной ~1,5 м. В качестве кварцевого световода используется световод ОКМ800/880/960-1275A1 длиной 100 м.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема сцинтилляционного модуля детектора. На фиг. 2 представлена принципиальная схема детектора.
Принятые обозначения: 1 - сцинтиллятор, 2 - зеленые спектросмещающие световоды, 3 - оранжевый спектросмещающий световод, 4 - оптический разъем, 5 - кварцевый световод, 6 - фотоприемник, 7 - светонепроницаемый корпус.
Детектор содержит светонепроницаемый корпус 7, в котором размещен сцинтиллятор в форме параллелепипеда 1, разделенный на две равные части, между которыми размещены оранжевый спектросмещающий световод 3, проходящий вдоль оси сцинтиллятора 1, параллельной большей его грани, свободный конец оранжевого спектросмещающего световода 3 через оптический разъем 4, размещенный на боковой поверхности светонепроницаемого корпуса 7, соединен с кварцевым световодом 5, второй конец которого подведен к фотоприемнику 6, а также зеленые спектросмещающие световоды 2, также размещенные между двумя частями сцинтиллятора 1, которые пристыкованы торцами к оранжевому спектросмещающему световоду 3, будучи уложенными в два ряда вплотную друг к другу в каждом ряду по обе стороны от оранжевого спектросмещающего световода 3 на всей длине сцинтиллятора 1 перпендикулярно его оси.
Детектор работает следующим образом: ионизирующее излучение, проходя через материал сцинтиллятора 1, возбуждает сцинтилляционное излучение, которое распространяется по нему и поглощается зелеными спектросмещающими световодами 2, 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 2 и засвечивают оранжевый спектросмещающий световод 3 через их торцевые поверхности. Попавшие в оранжевый спектросмещающий световод 3 зеленые фотоны поглощаются и также изотропно переизлучается с длиной волны еще больше смещенной в красную область спектра. Получаемый оптический сигнал передается по кварцевому световоду 5, один конец которого через оптический разъем 4, размещенный на боковой поверхности светонепроницаемого корпуса 7, соединен с оранжевым спектросмещающим световодом 3, а другой подведен к фотоприемнику 6.
Количество зеленых спектросмещающих световодов 2 определяется длиной большей грани сцинтиллятора 1 таким образом, чтобы при размещении вплотную друг к другу на длине большей грани сцинтиллятора 1 в два ряда по обе стороны от оранжевого спектросмещающего световода 3 они бы полностью заполняли занимаемую ими поверхность сцинтиллятора 1 и находились на ней целиком, не выходя за ее пределы.
Зеленые спектросмещающие световоды 2 с дальней от оси сцинтиллятора 1 стороны, а также свободный конец оранжевого спектросмещающего световода 3 ограничены шириной и длиной сцинтиллятора 1 соответственно.