ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Полезная модель детектора ионизирующих излучений относится к области многофункциональных дозиметрических устройств, а именно к области устройств, связанных с оптически стимулированными люминесцентными детекторами и сцинтилляционными детекторами рентгеновского и гамма-излучения, работающими в сочетанием режиме.
Известен детектор ионизирующих излучений трекового типа (Свидетельство Роспатента №1756 от 16.02.1996 на полезную модель, Л.В.Гаврилов, Л.В.Жукова, Б.В.Шульгин, Г.А.Китаев, В.В.Жуков, Л.В.Викторов. Заявлено 31.05.1994. Опубл. 16.02.1996. Бюл. №2. (МПК G02B 6/02, G01T 1/20, 3/06)). Известный детектор состоит из волокон на основе галогенидов серебра и электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластинкой. Сенсорный блок известного детектора относится к сцинтилляционному типу сенсора, регистрирующего треки заряженных частиц и работающего в режиме реального времени (on line режиме). Однако известный детектор не является детектором с сенсорным элементом многофункционального типа; использование известного сенсорного элемента на основе галогенидов серебра в одном устройстве в качестве сцинтиллятора и в качестве рабочего вещества детектора запоминающего типа в современных детекторных устройствах неизвестно.
Известен световолоконный сцинтилляционный детектор рентгеновского излучения (патент РФ №2248011 МПК G02B 6/02, G01T 1/20, 3/06), Б.В.Шульгин, Л.В.Жукова, В.И.Петров, Д.В.Райков, А.Н.Черепанов, Заявл. 27.07.2003; опубл. 10.03.2005. Известный световолоконный детектор состоит из единого волоконно-оптического модуля, который содержит блок регистрации рентгеновского излучения в виде набора сцинтиллирующих волокон, передающий блок волоконно-оптической связи, а также фотоприемное устройство с блоком электронной обработки сигналов. Известный световолоконный детектор рентгеновского излучения имеет сцинтилляционный сенсорный элемент, работающий в режиме реального времени. Однако, он не является детектором многофункционального типа. Использование в одном устройстве известного сенсорного элемента в виде набора сцинтиллирующих волокон в качестве сцинтиллятора и одновременно в качестве рабочего вещества запоминающего детектора (термостимулированного или оптически стимулированного типа) в современных детекторных устройствах неизвестно.
2
3
3
4
12
Известен термолюминесцентный детектор (патент №2270462 РФ, авторы Б.В.Шульгин, А.Н.Черепанов, Т.С.Королева, В.Ю.Иванов, А.И.Слесарев, А.В.Анипко, Б.К.Джолдошов, Ch. Pedrini, В. Hautefeuille, J.-M. Formigue. МПК G01T 1/06, 1/11, 1/29; С09К 11/08. Заявл. 28.07.2004; опубл. 20.02.2006. Бюл.№5) для регистрации рентгеновского, гамма- и электронного излучения с сенсорными кристалловолоконными датчиками запоминающего типа на основе термолюминесцентных фторидных и оксидных материалов таких как: NaF:U; NaF:U, Cu; LiF:U; LiF:U, Cu и LiF:Ti, А1O и ВiGеO. В известном дозиметрическом комплексе термолюминесцентный запоминающий детектор выполнен в виде кристаллического волокна со светоотражающим покрытием по всей длине волокна, один конец которого снабжен зеркальным отражателем, а другой имеет стыковочный узел, через который высвечиваемая волоконным термолюминесцентным детектором светосумма поступает в волоконно-оптический кабель связи, соединенный с фотоприемником и блоком управления и обработки сигналов.
2
3
3
4
12
Однако, вышеназванный известный термолюминесцентный детектор рентгеновского, гамма- и электронного излучения не является детектором многофункционального типа; использование в одном устройстве одного и того же сенсорного элемента на основе активированных составов NaF, LiF, a также AlO и ВiGеO в качестве термолюминесцентного и сцинтилляционного датчика в современных детекторных устройствах неизвестно.
2
3
В последние годы среди детекторов ионизирующих излучений запоминающего типа все более широкое распространение в персональной дозиметрии получают детекторы с оптически стимулируемым люминесцентным (ОСЛ) сенсором на основе α-АlO:С (Batter-Jensen L., McKeever, S.W.S., Wintle A.G. Optically Stimulated Luminescence Dosimetry. Elsevier Science. 2003. 355P; McKeever et al. USA Patent №5892234 Apr. 6. 1999; N.J.M. Le Masson. Development of Optically stimulated Luminescence materials for personal fast neutron dosimetry. Delft University Press. 2003, 168P). Разработка таких детекторов активно проводится за рубежом и в России.
2
3
2
3
2
3
Среди известных детекторов ОСЛ-типа наиболее близким по элементам конструкции к заявляемому является известное «устройство для измерения дозиметрического сигнала оптически стимулированной люминесценции», с ОСЛ-сенсором на основе анион-дефектного корунда α-АlO:С. (Патент 2310889 РФ, И.И.Мильман, С.В.Никифоров, Е.В.Моисейкин, И.Г.Ревков. МПК G01T 1/11, 1/06, 1/29. Заявл. 07.08.2006; опубл. 20.11.2007. Бюл. №32). Известный детектор имеет светонепроницаемый корпус, в котором размещены детектор (сенсор) ионизирующих излучений (в виде таблетки из α-АlO:С), расположенный между источником стимулирующей радиации (светодиодом с призмой Френеля) и разделительным светофильтром, оптический фотоприемник и электронный модуль-канал обработки сигналов (информации). Стимуляцию светосуммы, накопленной в облученном α-АlO:С ОСЛ-сенсоре осуществляют с помощью светодиода СДК-С469-5-10, снабженного призмой Френеля, оптическая ось которого перпендикулярна плоскости детектора. Регистрацию высвечиваемой ОСЛ-датчиком светосуммы (длина волны излучаемого света кристаллом корунда равна 420 нм) проводят с помощью фотоприемного блока на основе фотоэлектронного умножителя, снабженного светофильтром УФС-2 (с длиной волны 470 нм, полушириной около 10 нм) для защиты фотоприемника от прямого светового воздействия светодиода. Однако применение в одном устройстве сенсора из одного и того же материала как в качестве ОСЛ-сенсора, так и в качестве сцинтилляционного сенсора в современных детекторных устройствах неизвестно.
Задачей изобретения является разработка полезной модели детектора ионизирующих излучений нового типа в котором сочетанный с одними и теми же фотоприемником и блоками обработки информации чувствительный сенсорный элемент обеспечивал бы выполнение функций ОСЛ-детектора, хранящего дозиметрическую информацию (до момента оптического стимулирующего воздействия) и функции сцинтилляционного детектора ионизирующих излучений, работающего в режиме реального времени.
Решение поставленной задачи достигается тем, что элементом конструкции предлагаемого детектора является разработанный авторами универсальный сенсор из полифункциональных материалов, - сенсор нового типа (типа «два в одном»), размещенный в дополнительном держателе и способный выполнять функции ОСЛ-сенсора и функции сенсора-сцинтиллятора, причем сенсор из полифункциональных материалов сочетай с одними и теми же фотоприемником и электронными блоками обработки информационных сигналов.
2
5
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем. Детектор ионизирующих излучений, содержащий светонепроницаемый корпус, сенсорный ОСЛ-элемент, источник оптической стимуляции - светодиод, защитный светофильтр, фотоприемник и электронный модуль с блоком ОСЛ-обработки информационных сигналов, снабжен дополнительным держателем, в котором закреплен сенсорный элемент, выполненный из оптических материалов типа NaF, NaF:Cu и NaF:Sc или YSiO:Tb, Ce, способных как к ОСЛ-высвечиванию запасенной в них светосуммы, так и к сцинтилляционному отклику на радиационное воздействие, а электронный модуль обработки информационных сигналов имеет, наряду с блоком обработки ОСЛ-сигналов, дополнительный блок обработки регистрируемых сцинтилляционных сигналов.
Конструкция предлагаемой полезной модели детектора ионизирующих излучений приведена на Фиг.1. Показано расположение в светонепроницаемом корпусе 1 универсального оптического сенсора 2, (закрепленного в держателе 3), способного выполнять функции ОСЛ-сенсора и функции сенсора сцинтиллятора, а также расположение таких необходимых элементов детектора, как светодиодный фотостимулятор 4 с призмой Френеля 5, разделительный светофильтр 6, фотоприемник 7 и электронный модуль с блоками обработки информационных сигналов (блоки 8 и 9). Блок регистрации 8 используют, когда универсальный сенсорный элемент используют в качестве ОСЛ-датчика, а дополнительный блок 9 используют, когда сенсорный элемент детектора работает как сцинтилляционный датчик. Изображенная на Фиг.1 схема детектора соответствует случаю, когда в качестве фотоприемника используют фотодиод. Для случая, когда в качестве фотоприемника используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), картина взаимного расположения всех остальных элементов детектора, необходимых для обеспечения его функционирования, аналогична картине, представленной на Фиг.1, только вместо компактного фотодиода используют фотоэлектронный умножитель.
2
5
2
5
Устройство работает следующим образом. Если универсальный сенсор 2 используется в качестве ОСЛ-датчика (обычно он имеет вид плоской таблетки), то сенсор, предварительно облученный рентгеновским или -гамма излучением, с накопленной информацией о дозе размещают внутри корпуса 1 в регулирующем его положение держателе 3. В качестве сенсорного материала в предлагаемом устройстве могут применяться кристаллы NaF, NaF:Sc, NaCl:Eu, и YSiO:Tb, Ce, размерами 7×7 мм (и более), толщиной 1-2 мм (и более), а также кристаллы на основе других материалов, способных как к ОСЛ-высвечиванию запасенной в них светосуммы, так и к сцинтилляционному отклику на радиационное воздействие. Для кристаллов NaF, NaF:Sc, NaCl:Eu, и YSiO:Tb, Ce (используемых при проверке работоспособности устройства), облученных рентгеновским излучением (40 кВ, 40 мкА, 1 мин, ФЭУ-142, U=1960 В) кривые ОСЛ приведены на Фиг.2. Они аппроксимируются двумя экспонентами и хорошо описываются уравнением
1
2
1
2
где A и A - предэкспоненциальные множители; t и t - постоянные времени затухания. Характеристики ОСЛ приведены в Таблице.
Таблица
Характеристики ОСЛ кристаллов NaF, NaF:Sc, NaCl:Eu и Y<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub>:Tb, Ce
I<sub>0</sub>, o.e.
A<sub>1</sub>, o.e.
t<sub>1</sub>, c
A<sub>2</sub>, o.e.
t<sub>2</sub>, с
NaF
4098,6388
31187,73961
0,43658
6627,52155
3,24093
NaF:Sc
6666,96655
37541,55099
6,0284
10415,10736
47,69066
NaCl:Eu
489,30884
9674,33987
8,29992
37992,92519
0,88858
Y<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub>:Tb, Ce
14,55308
80,02871
71,87447
226,5359
13,5905
2
5
2
5
2
5
Как видно из Фиг.2 и Таблицы, происходит достаточно эффективное высвечивание ОСЛ-светосуммы за время в несколько секунд. Наибольшей интенсивностью ОСЛ обладают кристаллы NaF и NaF:Sc, минимальным световыходом ОСЛ обладают оксидные кристаллы YSiO:Tb, Ce, хотя последние отличаются повышенным выходом термолюминесценции (L.V.Victorov et al. F11: Termoluminescent Dosimetric Properties of Oxide Scintillators. Proceedings of International Symposium: Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation. LUMDETR-91 Riga, University of Latvia 1991). При использовании тех же кристаллов NaF, NaF:Sc, NaCl:Eu или YSiO:Tb, Ce, размерами 7×7 мм и более, толщиной от 1-2 мм (и более) в качестве сцинтилляционного датчика наиболее высокие результаты получены для сцинтиллятора YSiO:Tb, Ce (световыход гамма-сцинтилляций на уровне световыхода NaI-Tl, длительность гамма-сцинтилляций 10-12 нc, длина волны 420 нм (сигналы регистрировались в импульсном режиме). Для кристаллов NaF, NaF:Sc и NaCl:Eu сцинтилляционные характеристики измерялись в токовом режиме: световыход порядка 5% относительно NaI-Tl, длительность отдельных сцинтилляций 10-14 нc, область излучения до 430 нм (сцинтилляционные характеристики хорошо согласуются с данными: B.V.Shulgin. A3: Fast Inorganic Scintillators. Proceedings of International Symposium: Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation. LUMDETR-91 Riga, University of Latvia. 1991).
Экспериментальная проверка параметров предлагаемой полезной модели детектора ионизирующих излучений подтвердила ее работоспособность и техническую полезность: возможность использования универсального сенсора и получения дозиметрической информации как в запоминающем, так и в активном режиме.
2
5
Технический результат. Предложенная полезная модель детектора ионизирующих излучений имеет универсальный сенсорный элемент, выполненный из полифункциональных оптических материалов типа NaF, NaF:Cu и NaF:Sc или YSiO:Tb, Ce; причем сенсорный элемент способен как к ОСЛ-высвечиванию запасенной в нем светосуммы, так и к сцинтилляционному отклику на радиационное воздействие, так что детектор может работать как в режиме анализа хранимой светосуммы (как запоминающий детектор), так и в сцинтилляционном режиме реального времени.