СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ И БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к технике регистрации электронного и бета-излучения и может быть использовано при разработках высокочувствительных детекторов, предназначенных для обнаружения и идентификации бета-источников в условиях повышенного нейтронного и гамма-фона, в частности, в системах дозиметрического и таможенного контроля.
Основными требованиями, предъявляемыми к детекторам электронов, являются: высокая эффективность и спектральная чувствительность регистрации электронов, высокое быстродействие, низкая чувствительность к гамма-квантам и нейтронам, приемлемые стоимость, весогабаритные и другие эксплуатационные характеристики.
Известны разнообразные устройства для регистрации и спектрометрии электронного и бета-излучения: сцинтилляционные детекторы на основе органических и неорганических материалов, газовые ионизационные детекторы и магнитные спектрометры. (Л.С.Горн, Б.И.Хазанов. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. Энергоатомиздат, М., 1989). Ни одно из этих устройств в полной мере указанным требованиям не удовлетворяет, в наибольшей степени им соответствуют характеристики существующих сцинтилляционных детекторов.
Известен сцинтилляционный детектор ядерных излучений (Патент US №3688118, кл. G01T 1/00, 1972), который содержит два сцинтилляционных датчика, один из которых чувствителен как к заряженным частицам: к электронному и бета-излучению, так и к нейтронам, а второй сцинтилляционный датчик чувствителен только к заряженным частицам: к электронному и бета-излучению. Однако ни один из этих сцинтилляционных датчиков электронного и бета-излучения не пригоден для идентификации их энергии и селекции электронов на фоне гамма-квантов и нейтронов.
Известны комбинированные сцинтилляционные датчики электронного и бета-излучения, содержащие различные сцинтилляторы (Патент RU №2088952, кл. G01N 1/20, 1997, Патент US №5514870, кл. G01T 001/202; G01T 001/203, 1996). Однако они обладают значительной чувствительностью к гамма-квантам, непригодны для дискриминации гамма-излучения, а электронный тракт обработки сигналов таких датчиков оказывается сложным.
Известен сцинтилляционный датчик электронного и бета-излучения, описанный в работе (В.Прайс. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1960. 464 с). Датчик содержит сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов. В качестве сцинтиллятора в известном устройстве применяют кристаллы антрацена, обладающие малым временем высвечивания (до 4 не). Недостатком известного устройства является постоянная толщина выбранного сцинтиллятора, равная, по крайней мере, пробегу бета-частиц с фиксированной максимальной энергией, что делает его малопригодным для измерения спектров бета-источников с более жестким спектром, т.е. с большей максимальной энергией. Недостатком его является также чувствительность к фоновому нейтронному и гамма-излучению, невозможность их дискриминации и необходимость сложной схемы анализатора и коррекции сигналов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является сцинтилляционный датчик электронного и бета-излучения (Патент RU №2251124 от 14.10.2003), который состоит из клинообразного поглотителя излучения вогнутой формы, сцинтиллятора в виде одномерного сцинтилляционного экрана, фотоприемника в виде одномерной фоточувствительной линейки и тракта обработки сигналов (системы регистрации). Электронное или бета-излучение в известном датчике попадает на клинообразный поглотитель излучения и проникает сквозь него на глубину, не превышающую максимальный экстраполированный пробег электронов (бета-частиц) для данной энергии. Прошедшее сквозь поглотитель излучение попадает на сцинтиллятор, обеспечивая его свечение и загрузку находящегося в оптическом контакте с ним фотоприемника. Благодаря клинообразной форме поглотителя свечение сцинтиллятора и, соответственно, загрузка фотоприемника имеет место от начала (нулевой толщины) клина до некоторого предела, соответствующего определенной толщине клина, по которому и можно определить максимальную энергию падающего излучения. Таким образом, координата крайней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана соответствует некоторой максимальной энергии регистрируемого излучения. Фоторегистрирующее устройство и тракт обработки сигналов определяют крайнюю светящуюся ячейку сцинтилляционного экрана путем сравнения сигнала от каждой ячейки фоторегистрирующей линейки с сигналом, соответствующим пороговому значению, адекватному фону.
Однако известный датчик электронного и бета-излучения обладает принципиальным недостатком, связанным с тем, что движение электронов при их замедлении внутри клиннообразного замедлителя происходит не по прямолинейной, а по сложной ломаной траектории. По этой причине крайняя светящаяся точка сцинтилляционного экрана может лишь качественно (очень неточно) указывать на энергию регистрируемых электронов. Кроме того, он не обеспечивает дискриминации гамма-излучения и нейтронов, имеет ограниченную апертуру и сравнительно сложную систему регистрации.
Задачей заявляемой полезной модели является создание высокочувствительного спектрального сцинтилляционного детектора с высоким быстродействием регистрации электронов и бета-излучения и сравнительно простым и дешевым трактом регистрации, обеспечивающим эффективную дискриминацию фонового гамма и нейтронного излучений и, как следствие, ведущим к повышению отношения эффект/фон при измерениях.
Задача в заявляемой полезной модели решается за счет того, что в сцинтилляционном детекторе электронов и бета-излучения, состоящем из сцинтиллятора, фотоприемника, находящегося с ним в оптическом контакте, и системы регистрации, сцинтиллятор выполнен гетерогенным, многослойным и образован набором последовательно размещенных слоев, оптически изолированных друг от друга, при этом слои оптически соединены с отдельными для каждого слоя фотоприемниками, и каждый из слоев в отдельности покдючен к системе регистрации, причем число и толщины слоев сцинтиллятора выбраны из условия обеспечения требуемой энергетической селекции электронов и бета-излучения исследуемых источников излучения и условия дискриминации нейтронного и гамма-фона по кратности их регистрации в слоях.
Наличие признаков «сцинтиллятор выполнен гетерогенным, многослойным и образован набором последовательно размещенных слоев, оптически изолированных друг от друга, при этом слои оптически соединены с отдельными для каждого слоя фотоприемниками, и каждый из слоев в отдельности подключен к системе регистрации», - признаков, отличающих заявляемую полезную модель от прототипа, позволяет считать ее соответствующей условию патентоспособности «новизна».
Схема заявляемой полезной модели - сцинтилляционный детектор электронов и бета-излучения приведена на Фиг.1.
Детектор состоит из входного окна 1, сцинтиллятора 2, который выполнен гетерогенным и образован набором М последовательно размещенных слоев 3 из сцинтиллирующего пластического оптоволокна фирмы Bicron или из пластин другого пластического материала. Толщины Δi слоев 3 могут быть равными или отличаться по размеру. Между слоями 3 размещены тонкие (Δ→0) светонепроницаемые фильтры 4.
Слои 3 сцинтиллятора 2 соединены спектросмещающими (переизлучающими) оптоволокнами 5 (WLS - волокнами) с отдельными для каждого слоя 3 фотоприемниками 6, в качестве которых могут быть использованы фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды и т.п. Каждый из слоев 3 в отдельности подключен к системе регистрации 7.
Принцип действия детектора основан на измерении кратности регистрируемых излучений в слоях 3 сцинтиллятора 2, зависящей от их энергии Е. Работает детектор следующим образом.
Излучение бета-источника (сам источник на Фиг.1 не показан) через входное окно 1 поступает на сцинтиллятор 2. В зависимости от энергии электронов в одном слое 3 или практически одновременно в нескольких (двух, трех и т.д.) слоях 3 возникают сцинтилляции. Свет от слоев 3 через оптоволоконные жгуты 5 передается в фотоприемники 6, где преобразуется в электрические импульсы.
i
n
к
k-1
k
В результате последующей обработки сигналов от всех слоев 3 с помощью схем совпадений и анализатора счета совпадений (на чертеже не показаны) системы регистрации 7 определяется кратность каждого акта регистрации контролируемых бета-частиц, падающих на входное окно 1 детектора. Для выбранной композиции слоев 3, (толщин Δ и числа М) и принятого порога регистрации сигналов в системе регистрации 7 (ε - пороговое значение поглощенной энергии электронов в слое 2) это позволяет установить интервал энергий ΔЕ, соответствующий энергии зарегистрированной частицы, E<Е<E где к - индекс энергетической группы в групповом представлении измеряемого бета-спектра.
1
2
3
4
5
П
n
max
Если, например, принять, что Δ=Δ=0,2 см, Δ=Δ=Δ=0,5 см, М=5, ε=0,2 МэВ (при рассматриваемом способе светосбора и существующих характеристиках фотоприемников 6 такое значение ε гарантирует практически 100%-ую вероятность регистрации сцинтилляций в слоях 3 детектора), а тормозная способность детектора, в частности, сцинтиллятора 2 по отношению к электронам с энергией Е≥0,2 МэВ составляет dE/dx≅2 МэВ/см, то однократная регистрация бета-частиц (в первом слое 3) будет означать, что их энергия лежит в интервале Е≅0,2÷0,5 МэВ, при двукратной регистрации (в первом и втором слоях 3) - Е≅0,5÷1 МэВ, при трехкратной регистрации (в первом, втором и третьем слоях 3) - Е≅1÷2 МэВ, при четырехкратной регистрации (в первом - четвертом слоях) - Е≅2÷3 МэВ, а при пятикратной регистрации (в первом - пятом слоях 3) - Е>3 МэВ (у подавляющего большинства радиоизотопных бета-источников максимальная энергия бета-спектров лежит в интервале Е~0,2÷3 МэВ).
Как видно из изложенного, предложенная пространственно-функциональная структура заявляемой полезной модели обеспечивает возможность создания детекторов с селективной спектральной чувствительностью, большой апертурой, большим быстродействием (с временем высвечивания сцинтилляций ~5нс) и низкой чувствительностью к нейтронам и гамма-квантам, что обеспечивает их дискриминацию. Кроме того, при соответствующей настройке системы регистрации в совокупности с представленной конструкцией детектора обеспечивается возможность регистрации электронов в счетном режиме вместо сложного амплитудного анализа регистрируемых сигналов. Заявляемая полезная модель обеспечивает повышение точности регистрации электронов и бета-излучения, их энергетическую селекцию, дискриминацию нейтронов и гамма-квантов, повышение надежности обнаружения и идентификации бета-источников и упрощение конструкции.
Технический эффект: обеспечивается селективная (избирательная) спектральная чувствительность к регистрируемому излучению; увеличенная апертура; снижение чувствительности к нейтронному и гамма-фону; возможность обеспечения энергетической селекции, получения спектральной информации при регистрации сигналов в счетном режиме.
Таким образом, предлагаемый детектор предназначен для использования в разнообразных системах обнаружения и идентификации бета-источников с целью улучшения их эксплуатационных характеристик при повышенном гамма-нейтронном фоне; для заявляемой полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов; детектор, воплощенный в заявляемой полезной модели, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Заявленная полезная модель соответствует требованиям «промышленной применимости».