СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATION DETECTOR

Уровень техники
Изобретение относится к области техники детектирования ионизирующего излучения при помощи сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей (детекторов) и может быть применено в различных ее отраслях:
- в медицинской технике, в частности, в позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ); масс-спектроскопии и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) которые основаны на обнаружении энергичных заряженных частиц или фотонов.
- в системах интроскопии для дистанционного досмотра;
- в физике высоких энергий, например, в сцинтилляционных детекторах для экспериментов на ускорителях на встречных пучках и на линейных ускорителях.
В настоящее время большое распространение получили сцинтилляционные детекторы на основе отдельных сцинтилляционных ячеек, собранных в модули. Сцинтилляционные ячейки отделяются друг от друга посредством непрозрачных материалов, окружающих наружные поверхности, что препятствует свету, производимому в каждой из них попадать в соседние ячейки. Такие детекторы позволяют повысить энергетическое, временное и пространственное разрешение, чувствительность детекторов. Сборка модулей осуществляется из отдельных сцинтилляционных ячеек, как правило, ячеек квадратной формы со стороной квадрата 20-30 мм и толщиной 3-5 мм, с нанесенным отражающим покрытием из специальной краски или обернутых светоотражающим материалом, последовательно поэлементно совмещенных с кремниевыми фотоприемниками.
Технические характеристики сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей существенно зависят от того, как точно сцинтилляционные ячейки с лунками и элементы сбора излученного света (фотоприемники) собраны в детекторе, а также от характеристик светоотражающих поверхностей, используемых для покрытия сцинтиллятора.
Важной задачей также является обеспечение сбора света в единичных ячейках сцинтилляционных детекторов для увеличения чувствительности регистрирующей системы и улучшения параметров таких детекторов.
Работы по оптимизации конструкции единичных ячейках сцинтилляционных детекторов ведутся давно.
Так патент США US 8,085,398 [US 8,085,398 В2 Dec 27 2011, Dushkan et al, CONCAVE COMPENSATED CELL FOR THE COLLECTION OF RADIATED LIGHT] описывает сцинтилляционную ячейку с вогнутой лункой для сбора излучаемого света, которая располагается на одной из плоских ее сторон и показывает, как можно организовать сбор света непосредственно из лунки с помощью фотоприемника.
Ячейка для сбора излучаемого света, представляющая собой тело, изготовленное из сцинтиллятора методом литья или экструзии и имеющее на одной своей плоской стороне лунку с вогнутой поверхностью. Лунка работает как линза для сбора сцинтиллированного в ячейке света. Плоские поверхности сцинтилляционной ячейки покрыты отражающим материалом. В качестве светоотражающего материала используют светоотражающие пленки, покрытия, фольги и краски. Фотоприемник своей активной светочувствительной стороной обращен к вогнутой отражающей поверхности лунки без промежуточной среды (только воздух). Ячейка может иметь форму квадрата или шестиугольника. Патент хорошо описывает конструкцию единичной ячейки. Описаны отдельные способы и приемы изготовления сцинтилляционных ячеек, которые могут быть квадратной или шестигранной формы. Есть указание, что несколько ячеек в детекторе могут быть расположены вместе.
Патент не показывает, какой может быть конструкция детектора, выполненного на основе отдельных сцинтилляционных ячеек. Создание технологичной конструкции сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей - это отдельная инженерная задача, которую требовалось решить для применения сцинтилляционных сегментированных ячеек в различных отраслях техники детектирования.
Количество регистрируемого света, испущенного сцинтиллятором, зависит от точности и стабильности положения фотоприемника относительно лунки, а также от выбора материалов светоотражающего покрытия и конструкции отражателя, что в конечном виде определяет временное, энергетическое и пространственное разрешение детектора.
Известен созданный международной коллаборацией CALICE сцинтилляционный детекторный блок AHCAL [Felix Sefkow and Frank Simon On behalf of the CALICE Collaboration «A highly granular SiPM-on-tile calorimeter prototype» 18th International Conference on Calorimetry in Particle Physics (CALOR2018) IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1162 (2019) 012012]. Детекторный блок AHCAL состоит из печатной платы с массивом кремниевых фотоприемников, комплектом отдельных единичных сцинтилляционных ячеек и электроникой считывания сигналов (Фиг. 1). Положение фотоприемников на плате определяется грануляцией детектора. Детекторный блок AHCAL комплектуется отдельными единичными сцинтилляционными ячейками квадратной формы 30×30 мм и толщиной 3 мм с лункой для сбора излучаемого света, изготовленными методом литья. Каждая единичная ячейка обернута светоотражающей пленкой с отверстием для выхода света. Для упаковки сцинтилляционных ячеек в светоотражающую пленку было разработано и изготовлено специализированное роботизированное упаковочное оборудование. Единичные сцинтилляционные ячейки, обернутые светоотражающей пленкой последовательно, с использование робототехники, приклеивались к печатной плате стороной, имеющей лунку (Фиг. 2).
При установке единичных ячеек в детектор важно было обеспечить максимально точное положение каждой сцинтилляционной ячейки относительно парного ей фотоприемника. Применение робототехники позволило решить поставленную задачу.
В детекторном блоке AHCAL использовалась ортогональная сегментация для массива ячеек и сцинтилляционные квадратные ячейки были одного размера, а это значило, что изготавливался только один комплект литейной оснастки, один комплект оснастки для упаковочной машины и один комплект оснастки для робота, выполняющего установку единичных ячеек на плату.
Конструкция детекторного блока AHCAL, взятая в качестве прототипа, неплохо приспособлена для массового производства в случае, когда требуется изготавливать большое количество одинаковых сцинтилляционных ячеек квадратной или шестигранной формы. Для этого требуется одна литейная форма, один типоразмер светоотражающей обертки, одна оснастка и одно устройство для упаковки.
Существуют случаи, когда необходимы детекторы со сцинтилляционными ячейками произвольной формы. Например, часто для создания массива ячеек используется полярная система координат, где размеры ячеек задаются значениями радиусов и углов, - так называемая «R-ϕ» геометрия (Фиг. 3).
Для создания массива ячеек имеющего «R-ϕ»геометрию, требуются изготовить ячейки разных размеров, а это значит, что возникает потребность в изготовление большого количества дорогостоящей специализированной оснастки для каждого типоразмера сцинтилляционной ячейки:
- формы для литья для каждого типоразмера сцинтилляционных ячеек;
- оснастка или оборудование для изготовления индивидуальных оберток для каждого типоразмера сцинтилляционной ячейки;
- оснастка для упаковки каждого типоразмера сцинтилляционных ячеек в светоотражающую фольгу для упаковочной машины;
- сложное оборудование для точного позиционирования завернутых в светоотражающую фольгу сцинтилляционных ячеек на печатной плате;
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является - упрощение конструкции, улучшение технологичности, изготовление сцинтилляционных ячеек любой геометрической формы, повышение точности пространственных измерений для больших площадей детектирования.
Технический результат достигается за счет того, что массив единичных сцинтилляционных ячеек выполнен в виде монолитного блока единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционного блока), изготовленного из цельного листа сцинтиллятора, который разделен на ячейки любой геометрической формы структурой, полученной путем локального изъятия основного материала листа на всю его глубину по периметру границ ячеек и заполнения освободившегося места материалом со светоотражающим свойством, при этом образующий ячейки материал листа сохраняет свое геометрическое положение в блоке. Светоотражающие экраны сцинтилляционного блока выполнены в виде двух отдельных листов, прилегающих к плоским поверхностям блока с двух сторон. Светоотражающий экран, который расположен между поверхностью сцинтилляционного блока с лунками и печатной платой с кремниевыми фотоприемниками, имеет отверстия для света, выходящего из лунок единичных ячеек в направлении парных им фотоприемников. Светоотражающий экран, прилегающий к плоской поверхности сцинтилляционного блока, не имеющей лунок, делается сплошным и прижимается к этой поверхности крышкой. Сцинтилляционный блок, печатная плата с массивом кремниевых фотоприемников, светоотражающие экраны и крышка детекторного модуля имеют, как минимум, по два реперных отверстия, для точного совмещения компонентов детектора крепежными элементами при сборке сцинтилляционного детекторного модуля.
Описание фигур
Фиг. 1. Сцинтилляционный детекторный блок AHCAL.
1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками;
2 - Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.
Обернутые в отражающую фольгу отдельные единичные сцинтилляционные ячейки (2) последовательно устанавливаются на печатную плату с кремниевыми фотоприемниками (1) и фиксируются на ней с помощью клея.
Фиг. 2. Единичные сцинтилляционные ячейки детектора AHCAL с лунками для фокусировки излучаемого света и размещение фотоприемников.
1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.
2 Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.
3 Отдельная единичная сцинтилляционная ячейка с лункой, без обертки в конверт из светоотражающего материала.
Каждая сцинтилляционная ячейка имеет лунку для фокусировки излучаемого света и размещения парного ей фотоприемника. Положение лунки ячейки и фотоприемника хорошо видно на примере с установленной сцинтилляционной ячейки без обертки 2.
Фиг. 3. Массив сцинтилляционных ячеек с размерами, заданными в полярной системе координат.
Размеры ячейки определяются радиусами R1, R2 и углом ϕ.
Фиг.4. Сцинтилляционный детекторный модуль.
1- Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.
4 - Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционного блок).
5 - Светоотражающий экран с массивом отверстий для света, выходящего из лунок единичных ячеек.
6 - Светоотражающий экран сплошной.
7 - Крышка детекторного модуля.
8 - Сцинтилляционный детекторный модуль в сборе.
Фиг. 5. Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционный блок).
В блоке выполнены реперные отверстия (P1, Р2), соответствующие аналогичным отверстиями в печатной плате 1, крышке 7 и светоотражающих экранах 5 и 6.
Реперные отверстия используются для точного совмещения компонентов детектора при сборке сцинтилляционного детекторного модуля.
Фиг. 6. Пример схемы позиционирования и крепления сцинтилляционного детекторного модуля в сборе 8.
1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.
4 - Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционный блок).
5 - Светоотражающий экран с массивом отверстий для выхода света, из лунок парным фотоприемникам.
6 - Светоотражающий экран сплошной.
7 - Крышка детекторного модуля.
9 - Крепежные элементы модуля.
10 - Установочные монтажные элементы.
11 - Монтажная плоскость.
12 - Штифты для сборки и позиционирования модуля. Плоскость для монтажа детектора 11 имеет отверстия со штифтами 12, которые соответствуют реперным отверстиям (P1, Р2) на печатной плате 1, сцинтилляционном блоке 4, светоотражающих экранах 5 и 6, крышки детекторного модуля 7. Сцинтилляционный детекторный модуль предварительно собран с использованием технологических штифтов, аналогичных штифтам 12 и крепежных элементов 9. Крепление модуля к плоскости для монтажа 11 осуществляется с помощью крепежных элементов 10.
Фиг. 7. Образцы для исследования:
2 - Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.
13 Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек 3×3 (сцинтилляционный блок 3×3)
14 - Массив из девяти отдельных единичных сцинтилляционных ячеек, аналог прототипа детекторного блока AHCAL.
Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (фотография) 13, содержит девять единичных сцинтилляционных ячеек, размеры которых соответствуют ячейкам сцинтилляционного детекторного блока AHCAL (квадрат 30 мм×30 мм, толщина 3 мм). Светоотражающие экраны на фотографии отсутствуют.
Массив отдельных сцинтилляционных ячеек (фотография) 14 собран из девяти отдельных единичных сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала, аналогичных по конструкции и размерам ячейкам сцинтилляционного детекторного блока AHCAL. Светоотражающий материал обертки ячеек - ESR фирмы 3 М.
Осуществление изобретения
Для проведения исследования использовались идентичные по размерам и материалу образцы прототипа единичных сцинтилляционных ячеек сцинтилляционного детекторного блока AHCAL, обернутые в индивидуальные конверты из светоотражающего материала, и образцы монолитного блока сцинтилляционных ячеек с двумя светоотражающими экранами (по одному для каждой стороны сцинтилляционного блока) (Фиг. 7).
В процессе создания образцов монолитного блока сцинтилляционных ячеек локальное изъятие основного материала листа сцинтиллятора на всю его глубину по периметру границ ячеек производилось методом фрезерования на станке ЧПУ. Освободившееся в заготовке после фрезерования место было заполнено материалом со светоотражающим свойством (полимер модифицированным эпоксидным клеем со светоотражающей добавкой TiO2). Для изготовления использовался листовой материал сцинтиллятор ВС-408 фирмы Saint-Gobain Crystals.
Светоотражающие экраны были изготовлены из светоотражающего листового пленочного материала ESR фирмы 3 М методом лазерной резки на специальном станке ЧПУ.
Сравнительные результаты исследования свойств монолитного блока сцинтилляционных ячеек 13 состоящего из единого массива отдельных сцинтилляционных ячеек имеющего по единому светоотражающему экрану на каждой стороне с образцом аналогичным конструкции прототипа сцинтилляционного детектора AHCAL 14, состоящим из массива единичных сцинтилляционных ячеек 3 показали следующее:
1. Световыход необлученного монолитного блока сцинтилляционных ячеек практически не отличается от световыхода необлученных отдельных единичных сцинтилляционных ячеек прототипа. Среднее чисто фотоэлектронов (ф.э.), полученное при измерении 10 образцов отдельных единичных сцинтилляционных ячеек (материал ячеек- ВС-408 - аналогичный прототипу), обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала ESR, составляет 21.9±0.9 ф.э. Среднее число ф.э., измеренное на 16 ячейках для монолитного блока сцинтилляционных ячеек, укомплектованного с двух сторон светоотражающими экранами из светоотражающего материала ESR, составляет 21.4±0.5 ф.э. Результаты измерений показывают, что световыход сцинтилляционных ячеек, изготовленных в виде монолитного блока, составляет 98±4.7% по отношению к световыходу ячеек обернутых индивидуально. Единые светоотражающие экраны для массива сцинтилляторов, повышают однородность светосбора по сравнению с сцинтилляторами, обернутыми в индивидуальные конверты из светоотражающего материала. Все измерения проводились в одинаковых условиях на экспериментальном стенде, используя в качестве фотоприемника кремниевые фотоприемники S12572-015Р фирмы Hammatsu.
90
90
2. Вследствие возможного неплотного прилегания светоотражающего экрана к плоской поверхности монолитного блока сцинтилляционных ячеек, возможно перетекание света между соседними ячейками. Вероятность такого процесса исследовалась с помощью радиоактивного  источника Sr. и космического излучения. Вероятность регистрации света в соседней с облучаемой ячейкой при толщине склеивающего и, одновременно, разделяющего слоя в 1 мм получилась равный не более 0.15% для измерений на радиоактивном источнике Sr и менее 0.2% для исследований на космическом излучении.
3. Радиационная стойкость монолитного блока сцинтилляционных ячеек и ячеек прототипа исследовалась на реакторе ИБР-2 ОИЯИ. Образцы сцинтилляторов облучались потоком нейтронов и гамма-квантов до величины поглощенной дозы 0.65 Мрад (мощность дозы составляла 2.1 Крад/час). Средний световыход сцинтилляционных ячеек, измеренный после облучения, составил 14.0±0.2 ф.э. для индивидуальных сцинтилляционных ячеек и 13.7±0.6 ф.э. для ячеек, образующих монолитный блок. Таким образом, относительный световыход (нормированный на световыход отдельных сцинтилляционных ячеек до облучения) при облучении образцов до дозы 0.65 Мрад и мощности дозы 2.1 кРад/час составляет 63.9±4.3% для отдельно завернутых сцинтилляционных ячеек и 62.4±4.9% для ячеек внутри монолитного блока сцинтилляционных ячеек.
В пределах ошибок измерений радиационная стойкость отдельных сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала ESR и сцинтилляционных ячеек монолитного блока сцинтилляционных ячеек со светоотражающими экранами из того же материала ESR практически совпадает.