СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-КВАНТОВ

Полезная модель относится к области измерения ядерных излучений и может быть использована в приборах и системах для измерения гамма-излучения и других типов ионизирующего излучения для радиационного контроля и активационного анализа.
4
3
12
Полезная модель может быть использована для регистрации гамма-излучения гамма-детекторами на основе неорганического сцинтиллятора, конверсионная эффективность которого сильно зависит от температуры, например, BiGeO, NaI(T1), CsI(Na).
4
3
12
1
2
1
2
Особенностью аппаратуры для измерения энергетического спектра гамма-квантов с помощью детекторов на основе неорганических сцинтилляторов, таких как NaI(Tl) или BiGeO, и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) является зависимость конверсионной эффективности (доли энергии гамма-кванта, переходящей в световую вспышку) неорганических сцинтилляторов от температуры. При поглощении гамма-кванта в сцинтилляторе возникает оптическое излучение, которое преобразуется ФЭУ в электрический сигнал. Энергия гамма- кванта в спектре определяется путем измерения величины электрического сигнала Q с детектора. В качестве такого сигнала может использоваться заряд, собираемый на аноде ФЭУ, максимальная амплитуда тока на аноде ФЭУ и т.д. Для вычисления энергии гамма-квантов W путем измерения сигнала Q необходима предварительная калибровка детектора при облучении гамма-квантами с известной энергией, например, образующихся при распаде радиоактивных изотопов. При использовании неорганических сцинтилляторов сигнал Q линейно зависит от поглощенной энергии W [1], и калибровку производят по двум линиям спектра гамма-квантов W и W, соответствующих сигналу Q и Q, соответственно, а энергия гамма-кванта находится по из соотношения:
где калибровочные коэффициенты a и b определяют из уравнений:
4
3
12
При изменении температуры происходит изменение сигнала Q, соответствующего поглощенной энергии гамма-кванта W. Например, для сцинтилляторов BiGeO уменьшение сигнала на ΔQ c ростом температуры на ΔT составляет
где η - температурный коэффициент световыхода, равный 0,01-0,016 1/град [2]. Соответственно, относительная систематическая погрешность измерения энергии равна:
Таким образом, неконтролируемое изменение температуры сцинтиллятора приводит к ухудшению метрологических характеристик аппаратуры.
Известны следующие способы стабилизации спектра при изменении температуры [2]:
а) термостатирование измерительного тракта;
б) светодиодная стабилизация с использованием импульсной подсветки ФЭУ светодиодом;
в) периодическая градуировка аппаратуры с использованием радионуклидных источников гамма-излучения, располагаемых внутри или снаружи детектора, при изменении температуры сцинтиллятора.
д) корректировка измеряемого значения сигнала Q с детектора по показаниям термодатчика, установленного на поверхности сцинтиллятора.
Термостатирование приводит к существенному усложнению конструкции, увеличению массы, габаритов, энергопотребления аппаратуры, также увеличивается стоимость разработки, изготовления и выпуска аппаратуры.
Светодиодная стабилизация осуществляет только стабилизацию электронного тракта и не учитывает температурную зависимость самого сцинтиллятора. К тому же излучение светодиода не является полностью независимым от температуры.
Калибровку детектора гамма-квантов с использованием спектрометрических радионуклидных источников гамма-излучения можно проводить либо в отсутствие измеряемого потока гамма-квантов, либо одновременно с основными измерениями. В первом случае такая периодическая калибровка приводит к перерывам в работе, связанным с выносом аппаратуры за пределы зоны облучения или отключению источника гамма-квантов. Во втором случае использование дополнительных источников гамма-излучения приводит к увеличению собственного фона прибора и, как следствие, к ухудшению метрологических характеристик.
Недостатком способа корректировки измеряемого значения сигнала Q с детектора гамма-квантов с использованием термодатчика является то, что при нагреве делителем ФЭУ сцинтиллятор нагревается неравномерно по объему. Расположенный на поверхности сцинтиллятора температурный датчик не может корректно измерить температуру, соответствующую правильной корректирующей зависимости калибровочного коэффициента от температуры. В результате возникает погрешность определения истинной энергии гамма-квантов, составляющая более 5% в переходных режимах [3], например, при подачи напряжения на делитель ФЭУ.
Наиболее близким к предложенному в данной заявке устройству является детектор гамма-квантов [4] (прототип), содержащий в одном корпусе сцинтиллятор, ФЭУ, имеющий оптический контакт с неорганическим сцинтиллятором, делитель, кабеля и разъемы для подвода высокого напряжения к делителю и вывода сигнала с анода ФЭУ. Делитель обеспечивает заданное распределение напряжения на фотокатоде и динодах ФЭУ. При прохождении гамма-кванта в сцинтилляторе возникает импульсная вспышка оптического излучения, которая преобразуется ФЭУ в электрический сигнал, снимаемый с анода ФЭУ. Величина этого сигнала Q однозначно связана с энергией гамма-кванта W, которая выделилась в сцинтилляторе, что обеспечивает возможность измерения характеристик гамма-излучения (энергии, спектра, плотности потока, мощности дозы и т.д.).
Недостатком прототипа является большая погрешность определения энергии гамма-кванта, поглощенной в сцинтилляторе, поскольку происходит нагрев сцинтиллятора со стороны делителя ФЭУ вследствие тепловыделения в делителе ФЭУ, что приводит к изменению световыхода сцинтиллятора и появлению погрешности определения энергии гамма-кванта по величине электрического сигнала Q с детектора.
Техническим результатом заявленного предложения является уменьшение погрешности определения энергии гамма-кванта, поглощенной в сцинтилляторе.
Технический результат достигается тем, что сцинтилляционный детектор гамма-квантов, содержащий в одном корпусе неорганический сцинтиллятор для регистрации гамма-квантов, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), имеющий оптический контакт с неорганическим сцинтиллятором, делитель, сигнальный разъем, высоковольтный разъем, сигнальный кабель и кабель питания, сигнальный кабель соединяет сигнальный разъем с ФЭУ, кабель питания соединяет высоковольтный разъем с делителем, корпус разделен на две камеры, в первой камере установлен неорганический сцинтиллятор и ФЭУ, а во второй камере, отделенной от первой камеры термоизолирующей пластиной, установлены делитель, сигнальный кабель и кабель питания, закрепленные на корпусе со стороны второй камеры сигнальный разъем и высоковольтный разъем, делитель расположен рядом с термоизолирующей пластиной, ФЭУ и делитель соединены многожильным высоковольтным кабелем, проходящим вместе с сигнальным кабелем в отверстии в термоизолирующей пластине.
Сущность полезной модели поясняется на Фиг. 1-4.
На Фиг. 1 приведен эскиз заявляемого устройства.
4
3
12
На Фиг. 2 приведена зависимость конверсионной эффективности сцинтиллятора BiGeO от температуры при температурном коэффициенте световыхода 0,01 1/град.
На Фиг. 3 приведена зависимость относительного смещения пика аппаратного спектра от времени измерения для экспериментальной модели устройства, которое принято за прототип полезной модели.
На Фиг.4 приведена зависимость относительного смещения пика аппаратного спектра от времени измерения для экспериментальной модели заявляемого устройства.
Позициями на иллюстрациях обозначены:
1 - корпус,
2 - первая камера,
3 - вторая камера,
4 - неорганический сцинтиллятор,
5 - ФЭУ,
6 - делитель,
7 - термоизолирующая пластина,
8 - многожильный высоковольтный кабель,
9 - отверстие,
10 - сигнальный кабель,
11 - кабель питания,
12 - сигнальный разъем,
13 - высоковольтный разъем.
В корпусе 1 устройства содержатся первая камера 2 и вторая камера 3, в первой камере 2 находятся неорганический сцинтиллятор 4, соединенный с ФЭУ 5, во второй камере 3 расположены многожильный высоковольтный кабель 8, делитель 6, сигнальный кабель 10 и кабель питания И, на корпусе 1 со стороны второй камеры 3 расположены сигнальный разъем 12 и высоковольтный разъем 13, первая камера 2 и вторая камера 3 разделены термоизолирующей пластиной 7 с отверстием 9, через которое проходят многожильный высоковольтный кабель 8, соединяющий ФЭУ 5 и делитель 6, и сигнальный кабель 10, соединяющий ФЭУ 5 и сигнальный разъем 12. Напряжение с высоковольтного разъема 13 подается по кабелю питания 11 на делитель 6.
Устройство работает следующим образом.
Основной тепловыделяющий элемент делитель 6 находится во второй камере. Делитель 6 создает определенное распределение напряжений в местах электрического контакта сопротивлений. Делитель 6 может быть выполнен, например, в виде цепочки последовательно соединенных сопротивлений с номиналами согласно паспорту ФЭУ. Между первой камерой 2 и второй камерой 3 находится термоизолирующая пластина 7, которая препятствует теплообмену между второй камерой 3 и первой камерой 2, поэтому неорганический сцинтиллятор 4 слабо нагревается при тепловыделении с делителя 6. Питание делителя 6 подается кабелем питания 11 с высоковольтного разъема 13. Напряжение с контактов делителя 6 подается через отверстие 9 в термоизолирующей пластине 7 многожильным высоковольтным кабелем 8 на фотокатод и диноды ФЭУ 5. Термоизолирующая пластина 7 должна быть сделана из непроводящего материала с низкой теплопроводностью, например, фторопласта, винипласта, капролона. При прохождении гамма-квантов через неорганический сцинтиллятор 4 энергия гамма-квантов преобразуется в импульсы светового излучения. ФЭУ 5, оптически связанный со неорганическим сцинтиллятором 4, преобразует импульсы светового излучения в импульсные электрические сигналы. Импульсные электрические сигналы передаются по сигнальному кабелю 10 с анода ФЭУ 5 на сигнальный разъем 12, расположенный на корпусе 1. Энергия гамма- кванта в спектре определяется путем измерения величины электрического сигнала.
Дополнительные пояснения к иллюстрациям.
4
3
12
4
3
12
В экспериментальной модели для осуществления заявляемого устройства стенки корпуса 1 сделаны из дюралюминия марки АМД толщиной 1 мм. Неорганический сцинтиллятор 4 из кристалла BiGeO в виде цилиндра диаметром 76 мм и высотой 76 мм приклеен торцевой поверхностью к ФЭУ 5 типа R6233-01 производства Hamamatsu. Другая торцевая поверхность и цилиндрическая поверхность неорганического сцинтиллятора 4 покрыты светоотражателем. Для экспериментальной модели можно использовать неорганический сцинтиллятор, конверсионная эффективность которого сильно зависит от температуры, например, BiGeO, NaI(Tl), CsI(Na). В экспериментальной модели использовался капролон. Многожильный высоковольтный кабель 8, состоящий из жгута проводов марки E3201 производства компании Habia Kabel Ltd внешним диаметром 0,74 мм (тестовое напряжение 5 кВ), соединяющий ФЭУ 5 и делитель 6, проходят в канале диаметром 4 мм термоизолирующей пластины 7. Напряжение на делитель 6 подается с высоковольтного разъема 13 типа FFA.0S.250.CTAC42 проводом марки E3201. Электрический сигнал с анода ФЭУ 5 выводится сигнальным кабелем 10 типа RG174 на сигнальный разъем 12 типа SMA.
4
з
12
На Фиг. 2 дана зависимость конверсионной эффективности неорганического сцинтиллятора 4 BiGеO от температуры.
4
3
12
На Фиг. 3 показаны экспериментальные временные зависимости смещения пика спектра электрических сигналов, соответствующих пику гамма-излучения с энергией 1,33 МэВ кэВ от изотопа Со-60, для экспериментальной модели устройства, которое принято за прототип полезной модели с неорганическим сцинтиллятором 4 из кристалла BiGeO и ФЭУ 5 типа R6233-01. Измерения проведены при неизменной внешней температуре. Напряжение, подаваемое на делитель 6, составляет 1000 В, сопротивление делителя 6 равно 1,2 Мом. Тепловая мощность, выделяемая на делителе 6, равна 1,2 Вт. Видно, что значение электрических сигналов в экспериментальной модели устройства, которое принято за прототип полезной модели, изменяется со временем, что обусловлено нагревом неорганического сцинтиллятора 4 делителем 6. Величина сигнала плавно уменьшается с 232 каналов до 209 каналов за 130 мин. Соответственно, относительная систематическая погрешность а измерения энергии также монотонно увеличивается и достигает 10% за 130 мин.
Абсолютную погрешность измерений ΔW энергии гамма-кванта можно представить как сумму абсолютных случайной δ и систематической θ погрешности
Абсолютная случайная погрешность δ равна:
где ε - энергетическое разрешение детектора, измеряемое по полной ширине пика на полувысоте (FWHM) на энергетическом спектре. Для энергии гамма-квантов 1,33 МэВ (испускаемых изотопом Co-60) энергетическое разрешение детектора гамма-квантов составляет е=7%, следовательно, δ=0,093 МэВ.
Абсолютная систематическая погрешность θ равна
где σ - относительная систематическая погрешность. При относительной погрешности σ, равной 10%, для энергии гамма-квантов 1,33 МэВ значение θ=0,133 МэВ. Общая погрешность измерений для экспериментальной модели устройства-прототипа согласно выражению (6) равна 0,226 МэВ.
Следует отметить, что поскольку энергетическое разрешение детектора ε уменьшается с ростом энергии пропорционально , а относительная систематическая погрешность σ не зависит от энергии, для больших энергий гамма-квантов доля абсолютной систематической погрешности будет возрастать. Например, для энергии гамма-квантов 4,44 МэВ ε=4%. При этом случайная погрешность δ=0,18 МэВ, а систематическая θ=0,444 МэВ.
Для минимизации данной систематической погрешности необходимо проводить периодическую калибровку детектора гамма-квантов, что, как показано выше, имеет определенные недостатки.
На Фиг. 4 показаны экспериментальные временные зависимости смещения пика спектра электрических сигналов, соответствующих пику гамма-излучения с энергией 1,33 МэВ, от изотопа Сo-60 для экспериментальной модели заявляемого устройства. Измерения проведены при неизменной внешней температуре. В течение времени измерения на делитель 6 подано высокое напряжение 1000 В, сопротивление делителя 6 1,2 Мом. Видно, что относительное смещение скорректированного сигнала σ, соответствующему пику аппаратного спектра, существенно уменьшилось по сравнению с экспериментальной модели устройства, которое принято за прототип полезной модели, и при том же напряжении на ФЭУ 5, равном 1000 В, составляет не более 1,7%. Общая погрешность измерений пика, соответствующего энергии гамма-квантов 1,33 МэВ, согласно выражению (5) составила ΔW=δ+θ=0,116 МэВ, что в два раза ниже по сравнению с общей погрешностью, обеспечиваемой экспериментальной моделью устройства, которое принято за прототип. Кроме того, в диапазоне энергий гамма-квантов от 0 до 10 МэВ (рабочем диапазоне большинства спектрометров) значение систематической погрешности θ много меньше случайной погрешности δ, следовательно, при использовании заявляемого устройства его периодической калибровки не требуется.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ю.К. Акимов. Детекторы ядерных излучений на основе неорганических сцинтилляторов. Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т. 25, вып. 1, 1994, с. 229-284.
2. Быстрицкий В.М., Зубарев Е.В., Красноперов А.В. и др. Гамма-детекторы в установках по обнаружению взрывчатых и наркотических веществ // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», М.: ВНИИА, 2012, С. 538-546.
3. Womble, Р.С., Vourvopoulos G.., Novikov, I., Paschal J., PELAN 2001: Current Status of the PELAN Explosives Detection System // Proceedings SPIE conference on Hard X-Ray and Gamma-Ray Detector Physics. - 2001, San Diego, - P. 226-231.
4. Ю.А. Цирлин, А.Р. Дайч, А.М. Радыванюк. Сцинтилляционные блоки детектирования. М.: Атомиздат, 1978, 124 с. (прототип)