ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДЕТЕКТОР
TWO-DIMENSIONAL DETECTOR

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для неразрушающего контроля материалов, изделий и предметов радиографическими методами, а также для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами.
Известны двухкоординатные детекторы, содержащие волоконный экран-преобразователь, оптические объективы, электронно-оптические усилители, ПЗС-матрицу и микропроцессорные устройства для регистрации радиографических изображений. Оптическое изображение, возникающее под действием ионизирующего излучения в экране-преобразователе, переносится с помощью объектива на усилитель изображения, а затем с помощью еще одного объектива на ПЗС-матрицу, где регистрируется в цифровом виде с помощью микропроцессорного устройства, затем передается в компьютер для отображения, дальнейшей обработки и использования. Mikerov V., Bogolubov E., Samosyuk V., Verushkin S., "Fast Neutron Imaging with CCD Detectors and Imaging Plates", International Workshop on Fast Neutron Detectors, University of Cape Town, South Africa, April 3-6, 2006, http://pos.sissa.it; MOR I., VARTSKY D., BAR D., et al., "High Spatial Resolution Fast-Neutron Imaging Detectors for Pulsed Fast-Neutron Transmission Spectroscopy", 2009 JINST 4 P05016.
Данные устройства имеют ограничения по размеру чувствительной поверхности, обусловленные тем, что перенос возникающего в экране-преобразователе оптического изображения осуществляется на входное окно усилителя изображения, размер которого значительно меньше, чем размер экрана. Возникающие при переносе изображения потери света примерно обратно пропорциональны квадрату коэффициента уменьшения изображения. Это приводит к тому, что эффективность детектора зависит от размера экрана-преобразователя. При получении радиографических изображений, например, с помощью быстрых нейтронов эффективная площадь детектора с пластмассовым сцинтиллятором в настоящее время не превышает 20×20 см. Кроме того, применяемые для регистрации оптического изображения ПЗС-матрицы обладают малым быстродействием и обычно работают в накопительном режиме. Увеличение эффективной площади детектора за счет объединения в одной конструкции нескольких экранов-преобразователей приводит к соответствующему увеличению количества оптических, электронно-оптических и электронных устройств и соответствующему увеличению стоимости всего устройства. При этом количество экранов и других компонент детектора квадратично зависит от чувствительной площади всего устройства. Другим недостатком сцинтилляционных ПЗС-детекторов является невозможность удаления его электронно-оптических и электронных устройств на безопасное расстояние от пучка излучения и, как следствие, сокращение срока их службы.
Известен преобразователь ионизирующего излучения, выполненный из плоских элементов, причем, по крайней мере, один из элементов выполнен в виде слоя порошкового люминофора. Преобразователь содержит спектросмещающие элементы в виде лент и оптоволокно, на концах которого установлены фотоприемники, слой порошкового люминофора нанесен на поверхность ленты или введен в ее состав. Патент Российской Федерации на полезную модель №54438, МПК G01T 3/06, 2006 г.
Недостатками аналога являются низкая эффективность рождения протонов отдачи и, как следствие, низкая эффективность преобразования из-за того, что часть объема преобразователя занята неорганическим порошковым люминофором.
Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон, электронно-оптическая система содержит фотоприемники. Патент США №4942302, МПК G01T 3/06, 1990 г. Указанное устройство имеет низкую эффективность из-за малого пробега протонов отдачи в полимерных сцинтиллирующих волокнах; предназначено для регистрации только быстрых нейтронов, минимальная энергия которых определяется сечением волокна, имеет ограничения на размер чувствительной поверхности, обусловленные необходимостью сопряжения торцевой поверхности устройства с фотоприемниками и возникающими из-за этого потерями света.
Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон. Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон, а электронно-оптическая система выполнена в виде позиционно-чувствительных фотоприемников, оптически сопряженных с соответствующими гранями волоконного параллелепипеда. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна. Электронно-оптическая система содержит локальные подсистемы, в которые введены полупрозрачные пластины для ответвления оптической мощности на быстродействующие приемники.
Патент Российской Федерации №2119178, МПК G01T 3/06, 1998 г. Прототип.
Прототип имеет низкую эффективность, т.к. не обеспечивает двухкоординатную регистрацию протонов отдачи с пробегом, сравнимым с поперечным сечением одиночного волокна, предназначен для регистрации только быстрых нейтронов, минимальная энергия которых определяется сечением волокна. Обычно сечение волокна составляет около 1 мм, а в качестве материала используется полипропилен или полистирол. При использовании волокна из полистирола только нейтроны с энергией более 12 МэВ начинают выбивать протоны отдачи с пробегом более 1 мм. При использовании электронно-оптических систем возникают ограничения на размер чувствительной поверхности детектора, обусловленные необходимостью сопряжения граней волоконного параллелепипеда с чувствительной поверхностью электронно-оптической системы и возникающими из-за этого потерями света.
Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации ионизирующих излучений: тепловых и быстрых нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей, различного типа заряженных частиц; расширение энергетического диапазона регистрируемых излучений, увеличение чувствительной поверхности детектора, уменьшение стоимости устройства.
Технический результат достигается тем, что в двухкоординатном детекторе, содержащем модуль из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, между слоями взаимно перпендикулярных полимерных сцинтиллирующих волокон из спектросмещающего материала установлен с оптическим контактом матричный экран-преобразователь в виде сотовой структуры с отражающими свет стенками и каналами, заполненными прозрачным для света сцинтиллятором, а каждое волокно соединено с фотоприемником.
Каждое волокно соединено с фотоприемником с помощью оптоволокна.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2.
На фиг.1 схематично представлен общий вид устройства, где 1 - матричный экран-преобразователь, 2 - спектросмещающие волокна, 3 - сцинтилляционная вспышка, возникшая в одной из ячеек матричного экрана-преобразователя, 4 - выход света на фотоприемные устройства.
На фиг.2 представлен вариант детектора с использованием в качестве фотоприемника фотодиодов, включенных в схему совпадений с целью уменьшения влияния их собственных электронных шумов, где 1 - матричный экран-преобразователь (вид со стороны источника), 2 - спектросмещающие волокна, 5 - фотоприемники (фотодиоды), 6 - аналоговые усилители, 7 - дискриминаторы, 8 - схемы совпадений.
6
10
Матричный экран-преобразователь 1 представляет собой сотовую структуру с отражающими свет стенками и каналами, заполненными прозрачным для света сцинтиллятором. Материал сцинтиллятора определяется типом регистрируемого излучения. Для регистрации быстрых нейтронов используют пластмассовые сцинтилляторы, например, из полистирола или полипропилена; для тепловых нейтронов - пластмассовые сцинтилляторы с добавками бора-10 или порошковые сцинтилляторы LiF+ZnS:Ag и B+ZnS:Ag. Для регистрации заряженных частиц: протонов, электронов, позитронов, мюонов, а также рентгеновского и гамма-излучений помимо органических сцинтилляторов могут также применяться прозрачные сцинтилляторы из неорганических материалов, например из NaI:Tl, CsI:Tl, LaBr3:Ce LSO:Ce LaCl3:Ce, YAG:Ce, YAP:Ce, BGO и др.
Одним из примеров матричного экрана-преобразователя является волоконно-оптический сцинтиллятор. Для эффективной регистрации различных по типу излучений могут применяться составные сцинтилляторы.
Спектросмещающее волокно 2 представляет собой пластмассовый сцинтиллятор диаметром от долей миллиметра и выше, покрытый снаружи одно- или двухслойной оболочкой из материалов с меньшим коэффициентом преломления света, обычно из полиметилметакрилата. Оно служит для захвата фотонов, пришедших на него снаружи, их переизлучения и транспортировки переизлученных фотонов к фотоприемникам 5, расположенным на одном торце или обоих торцах волокна.
Спектросмещающие волокна 2 либо непосредственно, либо с помощью оптоволокна приведены в оптический контакт с фотоприемниками 5. Для регистрации фотонов, выходящих из спектросмещающих волокон 2, используют двухкоординатные ФЭУ или фотодиоды.
Устройство работает следующим образом.
Излучение попадает в матричный экран-преобразователь 1 и вызывает в одной или нескольких его ячейках сцинтилляционную вспышку 3. Свет от сцинтилляционной вспышки 3 распространяется по ячейке (ячейкам) в обе стороны к торцам матричного экрана-преобразователя 1, где на каждом торце попадает в одно или несколько спектросмещающих волокон 2. В каждом из спектросмещающих волокон 2, на которое попал свет от сцинтилляционной вспышки 3, первоначальный свет вначале поглощается (с вероятностью более 80%), а затем переизлучается в соответствующем диапазоне длин волн. Переизлученный свет частично (около 5% от общего числа возникших фотонов) доходит до торцов волокон 4 и далее на фотоприемные устройства 5, где и регистрируется.
-3
Координаты Х и Y ячейки матричного экрана, в котором возникла сцинтилляционная вспышка 3, определяют по номерам ячеек ФЭУ или фотодиодов, с которых сигнал пришел практически одновременно и которые находятся в оптическом контакте с взаимно перпендикулярными спектросмещающими волокнами, расположенными по разные стороны от матричного экрана-преобразователя 1. Степень одновременности определяют длиной спектросмещающих волокон 2 и скоростью распространения света в спектросмещающим волокне 2. Таким образом, отбор полезных событий осуществляют как по времени, так и по принадлежности к противоположным группам спектросмещающих волокон 2. Число дошедших до фотоприемника 5 фотонов составляет около 2×10 от общего числа фотонов, излученных во время сцинтилляционной вспышки 3. При использовании фотоприемника 5 лишь на одном конце спектросмещающего волокна 2 противоположный торец спектросмещающего волокна 2 может быть покрыт светоотражающим материалом. Это увеличивает почти в два раза количество фотонов, попадающих на данный фотоприемник 5. Число фотонов, дошедших до фотоприемника, в отличие от прототипа не зависит от площади (объема) детектора.
2
Количество фотоприемников (в случае ФЭУ - это общее число его ячеек) пропорционально периметру матричного экрана-преобразователя 1, а не его площади или площади торца, как в случае прототипа. При чувствительной площади детектора 1 м, сечении спектросмещающего волокна 1 мм требуется всего два двухкоординатных ФЭУ фирмы Photonis Planacon модели 85011-011, каждый из которых содержит 1024 светочувствительных ячейки.
В устройстве на фиг.2 фотоны от сцинтилляционной вспышки 3, возникшей в одной из ячеек матричного экрана преобразователя 1, попадают сразу в два смежных спектросмещающих волокна 2, где переизлучаются и транспортируются к фотодиодам 5. Сигнал с выхода одного из фотодиодов 5, пришедший первым, после усиления аналоговым усилителем 6 и дискриминации дискриминатором 7 поступает на вход схемы совпадений 8 и открывает временное окно. Приход в течение этого окна сигнала со второго фотодиода 5 вызывает появление сигнала на выходе схемы совпадений 8.
Только срабатывание сразу двух устройств в определенном временном интервале приводит к регистрации сцинтилляционной вспышки 3. При этом уменьшается вероятность ложных срабатываний от сигнала, вызванного собственными электронными шумами фотодиодов 5.
Эффективность детектора определяется толщиной матричного экрана-преобразователя 1 и помимо других общих для всех детекторов физических ограничений ограничена только длиной затухания света в его сцинтилляторе (для полимерных сцинтилляторов составляет несколько метров). Эффективность светосбора практически не зависит от размера детектора вплоть до размера, определяемого длиной затухания света в спектросмещающем волокне, которая обычно составляет не менее 2 м. Расчеты показывают, что в случае матричного экрана-преобразователя 1 из полипропилена эффективность регистрации быстрых нейтронов с энергией 2 МэВ может составлять 25% и растет с увеличением энергии, например, до 55% для нейтронов с энергией 8 МэВ.
С помощью волоконной оптики фотоприемные устройства 5 выводят из пучка излучения и, таким образом, обеспечивают нормальные условия для работы электронных устройств детектора. В случае регистрации излучений на уровне естественного фона фотоприемные устройства 5 целесообразно охлаждать с целью повышения их чувствительности (уменьшения собственных электронных шумов).