СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATION DETECTOR

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов большой площади, обладающих пространственным разрешением, применяемых, например, при регистрации обратно рассеянного излучения, или в установках, предназначенных для обнаружения радиационных источников.
Известен «Сцинтилляционный детектор, содержащий плоский кольцевой сцинтилляционный кристалл», расположенный между материалом и источником излучения, обращенный к материалу и адаптированный для регистрации отраженного от материала излучения, фотоэлектрическое устройство, сопряженное с сцинтилляционным кристаллом, предназначенное для регистрации возникающего света и преобразования его в электрический импульс, а также светоотражающее покрытие, предназначенное для отражения света внутрь на фотоэлектрическое устройство. Патент США №3,319,065, МПК G01T 1/20, 1967. Аналог.
Недостатком аналога является невозможность определения места попадания излучения в детектор, т.е. отсутствие у него пространственного разрешения.
Известен «Многосекционный кольцевой детектор тепловых нейтронов для исследования дифракции на микрообразцах в аксиальной геометрии» (Письма в ЭЧАЯ. 2013. Т. 10, №5 (182). С. 713-721), в котором детекторное кольцо разделено на 16 секторов, разделенных на шесть независимых детекторных элементов, расположенных в общем газовом объеме, содержащем газ гелий-3 под давлением 4 атм. Внешний радиус кольца составляет 800 мм, а внутренний 637 мм. Аналог.
Недостатками аналога является низкое пространственное разрешение, обусловленное сравнительно большим размером (123×40×12 мм) детекторного элемента и малым их количеством (96), невозможность применения устройства для регистрации гамма-излучения и быстрых нейтронов, сложность конструкции и обслуживания.
Известен «Координатно-чувствительный детектор», содержащий блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах которых расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, блок выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2351954, G01T 3/06, 2009. Аналог.
Недостатком аналога является низкое пространственное разрешение детектора, определяемое расстоянием между светопереизлучающими волокнами.
Известны «Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел», в котором устройство включает в себя источник гамма-излучения в радиационной защите и детектор со счетчиком импульсов и сцинтиллятором, в двухканальном детекторе сцинтиллятор выполнен в виде диска из двух колец разных диаметров, причем в кольцо большего диаметра вставлено кольцо меньшего диаметра, внутрь которого вставлен кольцевой блок радиационной защиты, в центре которого размещен источник гамма-излучения и при этом каждый из двух кольцевых сцинтилляторов снабжен кольцевым счетчиком импульсов, причем источник в канале радиационной защиты имеет возможность менять положение с помощью устройства перемещения источника. Патент РФ №2345353, МПК: G01N 23/06, G01N 9/24. 2009 г. Аналог.
Недостатком аналога является низкое пространственное разрешение сцинтилляционного детектора, определяемое числом колец (всего два) сцинтиллятора и отсутствием углового разрешения у кольцевых сцинтилляторов.
Известен «Световолоконный сцинтилляционный детектор», содержащий сборку сцинтилляционных волокон для регистрации гамма-излучения, тепловых и быстрых нейтронов, которая помещена в единую оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, сборка выполнена в виде сцинтилляционного кабеля и имеет форму кольца или арки, а фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников, расположенных в противоположных торцах сборки. Патент РФ №2323453, МПК: G01T 3/20, 2008 г. Прототип.
Недостатком прототипа является отсутствие у него пространственного разрешения.
Техническим результатом изобретения является обеспечение пространственного разрешения.
Технический результат достигается тем, что сцинтилляционный детектор, содержащий сборку сцинтиллирующих волокон для регистрации гамма-излучения, тепловых и быстрых нейтронов в форме кольца, а также два фотоприемника, расположенные на противоположных торцах сборки сцинтиллирующих волокон в оптическом контакте с ними, сборка сцинтиллирующих волокон выполнена в виде одного или нескольких лежащих друг на друге кольцевых слоев с общей осью, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, расположены по окружности, сцинтиллирующие волокна для регистрации разных видов излучений располагаются в разных кольцевых слоях, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены оптически с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон.
Сущность изобретения поясняется на Чертеже, где схематично показано устройство, состоящее из двух угловых секций, каждая из которых содержит три слоя сцинтиллирующих волокон:
1 - ось устройства;
2, 3, 4 - кольцевые слои;
5, 6, 7 - сцинтиллирующие волокна для регистрации различных видов излучений;
8 - матричные фотоприемники.
Устройство содержит сборку сцинтиллирующих волокон в виде одного или нескольких лежащих друг на друге кольцевых слоев 2-4 с осью 1, составленных из сцинтиллирующих волокон 5-7 со светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями и расположенных в каждом кольцевом слое по окружности. Матричные фотоприемники 8 расположены на противоположных торцах сцинтиллирующих волокон 5-7 в оптическом контакте с ними. Каждый из матричных фотоприемников 8 содержит набор фоточувствительных элементов, количество которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон в устройстве.
Кольцевая форма устройства позволяет располагать на его оси 1 источник излучения и использовать устройство для регистрации излучения, рассеянного от объектов, помещенных перед источником, как в случае, например, определения характеристик дорожных покрытий, обеспечивая при этом позиционную чувствительность (пространственное разрешение).
Кольцевые слои содержат сцинтиллирующие волокна, изготовленные из материалов, чувствительных к разным видам излучений: 1) гамма-излучению, 2) быстрым нейтронам, 3) тепловым нейтронам, которые на чертеже показаны различной штриховкой.
Для обеспечения равномерности свойств устройства вдоль его плоскости сцинтиллирующие волокна 5-7, чувствительные к гамма-излучению, быстрым или тепловым нейтронам, располагаются в различных кольцевых слоях.
Число кольцевых слоев N из сцинтиллирующих волокон, предназначенных для регистрации одного вида излучения, определяется требованиями к эффективности регистрации и обычно определяется из соотношения:
где d - поперечный размер сцинтиллирующих волокон, предназначенных для регистрации одного вида излучения, Σ - макроскопическое сечение взаимодействия излучения с веществом сцинтиллирующих волокон, предназначенных для регистрации одного вида излучения.
Количество кольцевых слоев и виды используемых сцинтиллирующих волокон определяются назначением устройства, условиями его эксплуатации и техническими требованиями к его характеристикам.
В настоящее время изготавливают сцинтиллирующие волокна из различных материалов (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов. Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, МПК:G01T 1/20, 2008 г.) и с различной геометрией поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные.
Для улучшения светосбора от сцинтилляционных вспышек, возникающих в сцинтиллирующих волокнах под действием излучения, сцинтиллирующие волокна покрыты светоотражающим покрытием с меньшим, чем у волокна, коэффициентом преломления (одно- и двухслойные), либо применяют волокна с заданным радиальным градиентом состава и свойств. Для предотвращения перехода сцинтилляционных фотонов из одного волокна в соседние сцинтиллирующие волокна дополнительно покрыты светонепроницаемым покрытием.
В качестве матричных фотоприемников 8 могут применяться наборы из фотодиодов, кремниевых фотоумножителей или позиционно чувствительные фотоумножители и фотодиодные линейки.
Фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 8 заранее пронумерованы. Также пронумерованы сцинтиллирующие волокна и заранее определено, к каким фоточувствительным элементам фотоприемников приходят фотоны от того или иного сцинтиллирующего волокна.
Устройство работает следующим образом.
На устройство падают регистрируемые излучения вдоль оси 1, перпендикулярной плоскости кольцевых слоев 2-4. Интенсивность этих излучений в общем случае имеет радиальное и азимутальное распределение.
Излучение определенного вида: быстрые или тепловые нейтроны, или гамма-излучение, падающее на сцинтиллирующие волокна 5-7, преимущественно поглощается в сцинтиллирующих волокнах, предназначенных для регистрации данного вида излучения, вызывая при этом сцинтилляционную вспышку. Фотоны от сцинтилляционной вспышки, возникшие в одном из сцинтиллирующих волокон, с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к торцам этого волокна. При этом фотоны от сцинтилляционной вспышки, выходящие из сцинтиллирующего волокна в соседние волокна, поглощаются светопоглощающим покрытием.
Фотоны, дошедшие до торцов сцинтиллирующего волокна, попадают на фоточувствительные элементы двух матричных фотоприемников 8, где регистрируются, вызывая появление в каждом из них электрического сигнала. По соотношению амплитуд сигналов, полученных с противоположных торцов, определяется расстояние от одного из торцов сцинтиллирующего волокна до места взаимодействия излучения.
Порядковый номер кольцевого слоя, порядковый номер сцинтиллирующего волокна в кольцевом слое, а также расстояние от места взаимодействия излучения до одного из торцов сцинтиллирующего волокна определяют полностью координату взаимодействия в плоскости устройства и вид зарегистрированного излучения.