СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МОНИТОРА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области физического приборостроения, а именно к области контроля и измерения ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционного кристаллического детектора. Устройство предназначено для радиационных мониторов обнаружения, а именно для портальных мониторов и может быть использовано для построения систем обнаружения несанкционированного перемещения радиоактивных материалов (РМ) через охраняемую зону.
Известен блок детектирования монитора по патенту №2158938 (см. также http://aspectserv.narod.ru/orm.htm, серия «Янтарь»), содержащий сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель, устройство для регистрации сигнала и блок обработки и индикации, установленные в корпусе. Недостатками известного устройства являются большие габариты (583×2073×300 мм) и вес (около 180 кГ) блоков детектирования, низкое энергетическое разрешение измерительного канала, затрудняющее идентификацию обнаруженных радиоактивных материалов.
Наиболее близким аналогом к предложенному техническому решению является блок детектирования по патенту РФ №2356067, выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит корпус, сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель оптически связанный с торцевой поверхностью кристалла, электронный модуль приема и обработки информации, вход которого соединен с ФЭУ, а выход с разъемом для подключения кабелей связи с внешними устройствами. Недостатками данного технического решения являются сложное в изготовлении крепление кристалла и фотоприемника в корпусе, большие габариты и вес фотоприемника, технически сложная и недостаточно эффективная система амортизации пары кристалл-фотоприемник, неэкономное использование дорогого материала кристалла для целей создания детектора портального монитора.
Задачей, решаемой предложенным изобретением является снижение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции и изготовления, увеличение эффективности и надежности блока детектирования при использовании в радиационных мониторах обнаружения и идентификации РМ.
Техническим результатом от применения заявленного изобретения является существенное снижение веса и объема кристаллического сцинтиллятора, что приводит к снижению общих массогабаритных характеристик блока детектирования, уменьшение потерь фотосбора, повышение чувствительности блока детектирования. Техническим результатом также является снижение напряжения питания фотоприемника, повышение электробезопасности, снижение затрат на изготовление блока детектирования и эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном блоке детектирования монитора гамма-излучения, содержащем сцинтилляционный кристалл, оптически связанный с фотоприемным устройством и электронный модуль обработки информации, размещенные в корпусе, сцинтилляционный кристалл выполнен в виде цилиндра. На его цилиндрической поверхности выполнена плоская площадка с закрепленным на ней фотоприемным устройством, выполненным в виде p.i.n.-диода. Высота цилиндрического кристаллического сцинтиллятора равна или превышает высоту p.i.n.-диода. Отношение высоты к диаметру цилиндрического кристаллического сцинтиллятора составляет от 1:2 до 1:7. P.i.n.-диод присоединен к площадке на кристаллическом сцинтилляторе посредством оптически прозрачного клея на основе силиконового каучука. Все пустоты корпуса заполнены силиконовым каучуком для защиты от ударов и вибрации.
В связи с тем, что блок детектирования предназначен для работы в портальных мониторах, которые регистрируют гамма излучение только со стороны зоны контроля и игнорируют излучение, приходящее со всех других сторон, диаграмма чувствительности блока должна обладать существенной анизотропией. Такой анизотропией обладает плоский цилиндр, у которого диаметр значительно превышает высоту.
Чувствительность блока детектирования зависит от площади поверхности сцинтиллятора, обращенной в сторону контролируемой зоны. В предложенном техническом решении фотоприемное устройство присоединено к боковой поверхности цилиндрического сцинтилляционного кристалла, при этом эффективная площадь равна площади торцевой поверхности сцинтилляционного кристалла, в отличие от общепринятого случая, когда фотоприемное устройство соединено с торцом сцинтиллятора и эффективная площадь равна площади проекции боковой поверхности. Такое подсоединение фотоприемного устройства позволяет уменьшить его размеры при сохранении удовлетворительного качества фотосбора.
Экспериментально установлено, что для выбранного диапазона регистрируемых энергий 60-600 КэВ оптимальная высота цилиндрического кристаллического сцинтиллятора составляет не менее 10 мм. Высота цилиндрического кристаллического сцинтиллятора выбрана не менее длины свободного пробега гамма-кванта в кристалле.
Диаметр цилиндрического кристаллического сцинтиллятора не превышает длину свободного пробега фотона сцинтилляционной вспышки в кристалле. Так как длина свободного пробега является средним значением случайного процесса поглощения фотонов, с учетом допустимого процента потерь фотонов, экспериментально определено, что диаметр кристалла CsJ(T1) выбирают превышающим его высоту не более чем в 7 раз. В то же время, экспериментально определено, что для обеспечения анизотропии детектора, минимальный диаметр кристалла составляет не менее, чем 2 его высоты. Таким образом, оптимальное соотношение высоты и диаметра цилиндрического кристалла выбирают от 1:2 до 1:7.
Для описываемой конструкции размер p.i.n.-диода (фотодиода) выбран 10×10 мм, высота кристалла 10 мм, а его диаметр 70 мм, т.е. соотношение 1:7.
Р.i.n.-диод имеет габариты и вес в сотни раз меньшие, чем фотоумножитель и требует напряжение питания 20-60 В вместо нескольких сотен вольт, что также приводит к уменьшению габаритов и веса блока детектирования.
С целью защиты детектора от ударов и снижения влияния вибрации, а также с целью обеспечения наиболее полной влагозащиты детектора, последний помещен в тонкостенный алюминиевый корпус, и все свободное пространство внутри корпуса заполнено силиконовым каучуком.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен сцинтилляционный кристалл с закрепленным на нем p.i.n.-диодом, вид сверху.
На фиг.2 изображен блок детектирования в сборе.
Сцинтилляционный кристалл 1 выполнен в виде цилиндра. На его боковой цилиндрической поверхности выполнена плоская площадка на которой установлен p.i.n.-диод 2. P.i.n.-диод 2 закреплен на упомянутой площадке посредством оптически прозрачного клея. Толщина клеевой прослойки 3 составляет от 10 мкм до ~1 мм и ее выбирают исходя из технологических или конструктивных соображений. Клей применяют на основе силиконового каучука.
Блок детектирования представляет собой цилиндрический корпус 4, в котором размещен цилиндрический сцинтилляционный кристалл 1 с закрепленным на нем p.i.n.-диодом 2. На торце сцинтилляционного кристалла 1 закреплен электронный модуль 5 приема и обработки информации. Выход p.i.n.-диода 2 подключен к входу электронного модуля 5. На электронном модуле 5 установлены разъемы 6 вывода сигналов и питания. Верхняя часть разъемов 6 выступает над корпусом 4. Разъемы размещены на нерабочей стороной блока детектирования. Поверхность сцинтилляционного кристалла 1, кроме площадки для крепления p.i.n.-диода 2 покрыта светорассеивающим материалом. Все свободное пространство внутри корпуса заполнено силиконовым каучуком для обеспечения амортизации при ударах и вибрации всех элементов, помещенных в корпус.
Для уменьшения влияния фоновых отсчетов целесообразно экранировать блок детектирования свинцовой пластиной с нерабочей стороны.
Электронный модуль 5 содержит узлы - усилитель-формирователь, дискриминатор нижнего уровня, детектор максимальной амплитуды, режектор наложений импульсов, восстановитель базового уровня, анализатор спектра на основе микроконтроллера.
Схемотехника основных узлов и их работа описана в статьях:
- Спектрометрический усилитель. Гибридный микроузел. А.Н.Архипкин, В.Г.Бровченко, A.M.Кириченко, Н.А.Петров, И.Г.Толпекин, В.В.Федоренко. Приборы и техника эксперимента, 2003, №3, с.84-87.
- Посредник - спектрометрический узел. В.Г.Бровченко, A.M.Кириченко, Н.А.Петров, В.В.Федоренко. Приборы и техника эксперимента, 2002, №6, с.52-55.
Блок детектирования работает следующим образом:
В точке контроля на блок детектирования попадает гамма-квант. Источником гамма-кванта является как изотоп, попавший в зону контроля так и естественный фон в точке контроля.
Гамма-квант, попав в сцинтилляционный кристалл 1, вызывает световую вспышку, которая фиксируется р.i.n.-диодом 2. Интенсивность вспышки и амплитуда токового импульса p.i.n.-диода 2 пропорциональны энергии гамма-кванта. В качестве p.i.n.-диода 2 использоттн кремниевый фото p.i.n.-диод.
В электронном модуле приема и обработки информации последовательность импульсов с фотоприемного устройства преобразуется в амплитудный спектр, полностью характеризующий излучение в зоне контроля. Пики, обнаруженные в спектре, означают наличие радиоактивного изотопа в зоне контроля, который может быть опознан по его положению в спектре. Общее количество отсчетов, зафиксированное за выбранное время, характеризует количество радиоактивного материала, попавшее в зону контроля. Сигнал о наличии радиоактивного материала и его количестве в зоне контроля передается оператору или системе контроля.
Конструкция блока детектирования позволяет создавать системы распределенного контроля простым шлейфовым соединением блоков. Количество блоков в шлейфе ограничено стандартами выбранного интерфейса и может достигать 256 и более.
Был изготовлен и испытан экспериментальный образец предлагаемого блока детектирования. В цилиндрический алюминиевый корпус диаметром около 80 мм, внутренним диаметром 75 мм и высотой 20 мм помещены цилиндрический кристалл сцинтиллятора CsJ(T1) диаметром 70 мм и высотой 10 мм, p.i.n.-диод, закрепленный на площадке, выполненной на образующей кристалла, и модуль приема и обработки информации в виде платы диаметром 70 мм, закрепленной на торце кристалла. К плате с одной стороны подключен p.i.n.-диод, а с другой разъемы, на которые выводятся сигналы интерфейса CAN или RS-485 и питание 5В. Верхняя часть разъемов выступает над корпусом. Свободное пространство внутри корпуса заполнено силиконовым каучуком.
Габариты составили - диаметр 80 мм, высота 20 мм (по сравнению с ближайшим аналогом ~ 500×100×100 мм).
Вес около 250 Г вместо ~3 кГ (у ближайшего аналога) или 180 кГ (у первого аналога).