СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATION DETECTOR

Изобретение относится к сцинтилляционным детекторам для регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников излучений различного происхождения, определения направления на них и их идентификации, для измерения спектра быстрых нейтронов, в установках, предназначенных для обнаружения радиоактивных источников, делящихся веществ, в физических исследованиях.
Известен сферический спектрометр Боннера, состоящий из пяти детекторов, каждый из которых содержит детектор тепловых нейтронов, расположенный в центре сферического замедлителя, и отличающихся диаметром сфер от 5,08 см до 30,48 см. Определение спектра быстрых нейтронов основано на различной для каждого детектора зависимости функции отклика (эффективности регистрации) от энергии быстрых нейтронов на процедуре и деконволюции данных, полученных со всех детекторов. Сферическая форма замедлителя обеспечивает изотропность функции отклика. R.L.Bramblett, R.I.Ewing, T.W.Bonner: Nucl. Instr. Meth. 9, p.125 (1960).
Известен детектор годоскопа, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, отличающийся тем, что сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде покрытых светоотражающей оболочкой стержней с прямоугольным сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·a, где а - ширина стержня пакета, b - высота стержня пакета, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. Патент Российской Федерации №2308742, G01T 3/06, G01T 1/20, 2006.
Известен сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, в котором преобразователи излучения расположены в точках пересечения трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, причем преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами. Патент Российской Федерации №92970, G01T 1/20, 2006. Прототип.
Недостатками аналогов и прототипа являются: ограниченные функциональные возможности, обусловленные недостаточной степенью сегментирования и пространственной анизотропией свойств, относительная высокая стоимость, зависящая от количества детекторов или сцинтиллирующих оптических элементов, относительно небольшая эффективность регистрации ионизирующих излучений, обусловленная относительно низким коэффициентом светосбора сцинтилляционных фотонов светопереизлучающими волокнами.
Данное изобретение устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом изобретения является формирование универсального сцинтилляционного детектора, содержащего преобразователи как тепловых, так и быстрых нейтронов, увеличение функциональных возможностей детектора за счет увеличения объема данных при регистрации нейтронного излучения преобразователями двух типов, уменьшение времени проведения измерений, уменьшение количества детекторов или каналов регистрации, увеличение эффективности светосбора сцинтилляционных фотонов светопереизлучающим волокном.
6
Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон, покрытых светоотражающим и светозащитным материалами, и фотоприемники, преобразователи излучения тепловых и/или быстрых нейтронов выполнены в виде правильных объемных фигур, расположенных послойно рядами в параллельных плоскостях, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения двумя светопереизлучающими волокнами по диагоналям противоположных граней правильной объемной фигуры в перекрещивающихся направлениях, преобразователи излучения и светопереизлучающие волокна установлены с контактом в канавках смежных рядов преобразователей излучения, а площадь, занимаемая преобразователями в каждом слое, меньше площади предыдущего слоя по мере удаления от геометрического центра детектора. Преобразователи излучения тепловых нейтронов изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора-10 или лития-6 или из кристаллов LiI. Преобразователи излучения быстрых нейтронов изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4.
На Фиг.1 показаны рассчитанные пространственные распределения сигналов, которые вызываются в преобразователях излучения тепловыми (1, 2) и быстрыми (3, 4) нейтронами в зависимости от расстояния Х между преобразователем излучения и облучаемой поверхностью, где 1, 2 - нормированный сигнал, возникающий в преобразователях, регистрирующих тепловые нейтроны, 3, 4 - нормированный сигнал, возникающий в преобразователях, регистрирующих быстрые нейтроны. Кривые 1 и 4 - для нейтронов спектра деления, кривые 2 и 3 - для нейтронов, излучаемых Pu-Be источником. Расчеты проведены для кубического детектора с размером стороны 24 см в предположении параллельного пучка и малого влияния преобразователей излучений на пространственные распределения.
На Фиг.2 представлен пример расположения преобразователей излучений тепловых и быстрых нейтронов в одной из плоскостей детектора, где 5 - преобразователи излучения тепловых нейтронов, 6 - преобразователи излучения быстрых нейтронов. Преобразователи излучения выполнены в виде кубов.
На Фиг.3 представлен пример диагонального расположения светопереизлучающих волокон 7. Диагональное расположение по сравнению с расположением волокна вдоль одной из сторон увеличивает эффективность сбора сцинтилляционных фотонов на светопереизлучающее волокно 7. Увеличение светосбора приводит к уменьшению пороговой энергии регистрируемого излучения. Светопереизлучающие волокна 7 расположены в параллельных плоскостях, причем в одной плоскости вдоль одной диагонали преобразователя излучения 5, 6, а в другой плоскости по диагонали, перпендикулярной верхней диагонали.
На Фиг.4 представлен пример устройства, в котором площадь, занимаемая преобразователями в каждом слое, уменьшается по мере удаления от геометрического центра детектора. Светопереизлучающие волокна 7 на поверхности верхнего ряда преобразователей не показаны. Расположение преобразователей излучения тепловых 5 и быстрых 6 нейтронов показано лишь для верхней плоскости преобразователей излучения 5, 6. Линейное светопереизлучающее волокно 7 каждого предыдущего ряда преобразователей излучения 5, 6 является верхним линейным светопереизлучающим волокном 7 следующего ряда преобразователей излучения 5, 6. Использование одного волокна для смежных рядов преобразователей излучения 5, 6 уменьшает количество каналов считывания и уменьшает стоимость детектора.
Рассмотрим работу устройства. Преобразователи излучения тепловых 5 и быстрых 6 нейтронов выполнены в виде кубиков и не имеют оптического контакта между собой. Каждый преобразователь излучения 5 и 6 имеет контакт с двумя скрещивающимися во взаимно перпендикулярных направлениях светопереизлучающими волокнами 7. При возникновении сцинтилляционной вспышки в каком-либо преобразователе излучения 5 или 6 фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих волокна 7, где переизлучаются и распространяются по волокнам 7 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего материала. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих волокон 7, регистрируют фотодетекторами (на фигурах не показаны). Положение преобразователя излучения 5 или 6, в котором произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам фотодетекторов, на которых сигнал появился практически одновременно.
Преобразователи излучения 5 или 6 покрыты светоотражающим материалом для увеличения количества фотонов, попадающих в светопереизлучающие волокна 7, и светозащитным материалом, чтобы свет не попал в соседние преобразователи излучения 5 или 6 и соответствующие им светопереизлучающие волокна 7. Светопереизлучающие волокна 7 выполняют из пластмассового сцинтиллятора со спектросмещающими добавками, покрыты оболочкой из прозрачного материала, обычно из полиметилметакрилата, с коэффициентом преломления, меньшим, чем пластмассовый сцинтиллятор, для увеличения количества фотонов, транспортируемых к фотодетекторам (на фигурах не показаны).
В качестве фотодетекторов используют двухкоординатные ФЭУ или фотодиоды. В случае фотодиодов для уменьшения влияния их собственных шумов фотодиоды попарно включают по схеме совпадений.
6
Преобразователи излучения тепловых нейтронов 5 изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора-10 или лития-6 или из кристаллов LiI. Преобразователи излучения быстрых нейтронов 6 изготавливают из сцинтиллирующей пластмассы, обычно, полистирола. Восстановление спектра быстрых нейтронов производится с использованием полученных пространственных распределений сигналов от тепловых и быстрых нейтронов и сопоставлением этих распределений с расчетными распределениями (например, показанными на Фиг.1). Высокая степень сегментирования детектора обеспечивает достаточно большой объем данных для их деконволюции. В расчете используют данные со всех детекторов и/или с детекторов, расположенных на различных поверхностях, в том числе, на сферических. Близость внешней формы детектора к сферической уменьшает зависимость эффективности регистрации от взаимного расположения источника и детектора и обеспечивает более точное восстановление спектра быстрых нейтронов. Наличие пространственно распределенной решетки преобразователей излучения 5 и 6 обеспечивает нахождение положения источника излучения в пространстве по направлению спада интенсивности сигнала, вызываемого излучением (Фиг.1).
Количество, размер, форму преобразователей излучения 5 и 6 и их взаимное расположение определяют исходя из требований к системе регистрации. Ограничения на указанные параметры накладывают степень ослабления тепловых нейтронов в преобразователе излучения 6, эффективность сбора света с преобразователей излучения 5 и 6 на светопереизлучающее волокно 7 и длина затухания света в светопереизлучающих волокнах 7, которая достигает нескольких метров. Оптимальный размер преобразователя излучения обычно составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.