ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
IONIZING RADIATION DETECTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области регистрации и обнаружения ионизирующего излучения (такого как рентгеновское излучение, гамма-излучение, космическое излучение, излучение заряженных частиц) и может быть использовано при разработке сцинтилляционных детекторов, применяемых в приборостроении для ядерных, космических, геофизических исследований, для медицинской и промышленной компьютерной томографии.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные конструкции детекторов ионизирующего излучения, выполненных на основе сцинтиллирующих материалов (сцинтилляторов). Как правило, такие детекторы состоят из сцинтиллятора, который формирует световые вспышки под действием ионизирующего излучения, и фотоприемника для регистрации и преобразования световых вспышек в электрический сигнал для дальнейшей обработки. В качестве фотоприемника часто используют вакуумные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), обладающие высокой чувствительностью. Однако ФЭУ имеют ряд существенных недостатков, связанных с большими габаритами, необходимостью магнитного экранирования и наличия высоковольтного источника питания. В качестве альтернативы фотоэлектронным умножителям используют полупроводниковые фотодиоды, обычно pin-фотодиоды, лишенные указанных недостатков.
Для создания современных приборов сцинтиллятор должен сочетаться с твердотельным фотодиодом, нижний предел области спектра высвечивания материала сцинтиллятора должен быть максимально согласован со спектральной чувствительностью используемого фотоприемника и находиться на уровне 580-650 нм. Материал сцинтиллятора должен быть прозрачным, иметь однородные оптические и люминесцентные свойства. В качестве сцинтилляторов нашли широкое применение кристаллы галогенидов щелочных металлов, активированных примесями для увеличения эффективности квантовых взаимодействий в сцинтилляционном кристалле, среди которых часто используют, в частности, радиационно-прочные кристаллы йодида цезия (CsI), активированные таллием (Тl), характеризующиеся относительно высоким коэффициентом спектрального согласования с фотодиодами и невысокой стоимостью.
Следует отметить, что в зависимости от характеристик исходного материала и назначения детектора, сцинтилляторы могут изготавливаться различной формы и размеров. Известно выполнение сцинтилляторов цилиндрической формы, в форме пластин, параллелепипедов, кубов, в виде тонких пленок. Размеры сцинтилляторов цилиндрической формы в детекторах общего назначения могут иметь диаметр от 3 до 200 мм, высоту - от 1 до 200 мм.
В частности, известно детектирующее устройство на основе шарового сцинтиллятора (патент РФ №2297015), содержащее размещенный в едином корпусе сцинтиллятор, PIN-фотодиод, кабельный канал и блок обработки сигналов, причем сцинтиллятор выполнен в форме шара, состоящего из двух полусфер, находящихся друг с другом в оптическом контакте, а сцинтилляционный детектор дополнительно содержит отражающее покрытие в виде пленки, прилегающей к поверхности полусфер, и второй PIN-фотодиод, установленный к первому PIN-фотодиоду «спина к спине» в центре шарового сцинтиллятора, в котором имеется полость для размещения PIN-фотодиодов и кабельный канал вывода их электрических контактов к блоку обработки сигналов.
Известен сцинтилляционный детектор (патент РФ №2248588), содержащий сцинтилляционный кристалл, находящийся с ним в оптическом контакте сместитель спектра со светособирающим световодом, который находится в оптическом контакте с PIN-фотодиодом. Все эти элементы детектора помещены в единый корпус с крышкой, играющий роль коллиматора.
Однако, известные устройства не позволяют осуществить эффективную регистрацию мощного рентгеновского или гамма-излучения.
3
2
Наиболее близким к предлагаемому решению является сцинтилляционный детектор MICOD (https://scintillators.ru/datasheet/ru/OEM-1_detector.pdf), содержащий сцинтиллятор CsI(Tl) и PIN-фотодиод большой площади с интегрированным зарядочувствительным усилителем, оптически соединенный со сцинтиллятором для обеспечения возможности формирования электрического сигнала при излучении световых импульсов, формируемых сцинтиллятором, при этом размер кристалла сцинтиллятора составляет 10×10×10 мм, а фотодиод имеет активную площадь 100 мм.
2
3
Однако, известный детектор имеет малый размер чувствительной поверхности сцинтиллятора (1 см) и малый чувствительный объем сцинтиллятора (1 см), что также не обеспечивает высокой эффективности регистрации и чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучению высоких энергий.
Для повышения эффективности регистрации мощного рентгеновского или гамма-излучения и чувствительности детектора на основе сцинтиллятора CsI(Tl) и PIN-фотодиода требуется увеличение объема сцинтиллятора, что приводит к уменьшению световыхода, и, как следствие, уменьшению чувствительности и энергетического разрешения детектора, при этом увеличение площади фотодиодов ограничено влиянием шумов, которые определяются емкостью фотодиода.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание детектора ионизирующего излучения на сцинтилляционном кристалле большого объема, характеризующегося высокой эффективностью регистрации мощного рентгеновского или гамма-излучения.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является уменьшение шумов регистрирующей системы и, как следствие, увеличение энергетического разрешения детектора ионизирующего излучения и расширение диапазона регистрируемых детектором энергий.
Технический результат достигается за счет создания детектора, состоящего из металлического корпуса, в котором расположены монокристаллический неорганический сцинтиллятор и два фотодиода, каждый из которых закреплен на плате с противоположных торцов сцинтиллятора и оптически соединен с торцами сцинтиллятора, с возможностью формирования электрического сигнала в ответ на излучение световых импульсов, формируемых сцинтиллятором, токовыводящие проводники, обеспечивающие связь фотодиодов с блоком обработки сигналов, при этом согласно предлагаемому техническому решению сцинтиллятор выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с квадратными основаниями, со стороны одного из оснований сцинтиллятора выполнены скосы с формированием правильной усеченной четырехугольной пирамиды, меньшее основание которой образует торец сцинтиллятора площадью, по меньшей мере в 4-5 раз меньшей площади противоположного торца сцинтиллятора, а фотодиоды, соединенные с торцами сцинтиллятора, имеют площадь фоточувствительной поверхности, соответствующую площади торцов сцинтиллятора.
В качестве материала сцинтиллятора выбран йодид цезия, активированный таллием или гадолиний-алюминий-галлиевый гранат (GAGG), активированный ионами церия.
Сцинтиллятор покрыт светоотражающим материалом по всей поверхности за исключением мест оптического соединения с фотодиодами, а торцевые поверхности сцинтиллятора выполнены отполированными.
В качестве фотодиодов предпочтительно используют фотодиоды с p-i-n структурой.
2
2
Площадь фоточувствительной поверхности фотодиода, соединенного с меньшим основанием сцинтиллятора, может составлять 1 см, а площадь фоточувствительной поверхности фотодиода, соединенного с большим основанием сцинтиллятора, может составлять 5 см, с допустимым отклонением в пределах 5%.
Длина сцинтиллятора может составлять 3,0 - 3,5 см.
Соотношение длины участка сцинтиллятора с постоянной площадью поперечного сечения к длине участка сцинтиллятора с переменной площадью поперечного сечения, предпочтительно, составляет 15:1.
Двугранный угол при меньшем основании усеченной пирамиды с торцевой стороны сцинтиллятора может составлять 120°.
В качестве фотодиода с меньшей площадью фоточувствительной поверхности предпочтительно выбирают фотодиод, имеющий значение емкости, не превышающее 70-80 пФ и величину темнового тока в пределах 3-5 рА при напряжении обратного смещения 20 В, а в качестве фотодиода с большей площадью фоточувствительной поверхности предпочтительно выбирают фотодиод, имеющий значение емкости, не превышающее 280-330 пФ и величину темнового тока в пределах 7-12 рА при напряжении обратного смещения 20 В.
Предлагаемая конструкция детектора за счет комбинации двух фотодиодов различной площади и монокристалла оптимальной формы позволила добиться хорошего энергетического разрешения детектора с увеличением диапазона регистрируемых детектором энергий до 11 МэВ.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами и графиками, где на Фиг. 1 представлен общий вид заявляемого детектора; на Фиг. 2 - заявляемый детектор, вид спереди; на Фиг. 3 - схема установки для измерений; на Фиг. 4, 5 приведены гистограммы (в виде гауссиан) амплитуд электрических импульсов для двух образцов детекторов Д1 и Д2, соответственно, полученные при облучении детекторов источниками типа ОСГИ с радионуклидами Cs-137 (энергия 662 кэВ) и Со-60 (энергия 1.2 МэВ), где Д1 - образец заявляемого детектора, Д2- детектор со сцинтилляционным кристаллом в форме параллелепипеда поперечного сечения 2,2×2,2 см и двумя фотодиодами 2,2×2,2 см, соединенными с торцами параллелепипеда.
Позициями на Фиг. 1-3 обозначены:
1 - заявляемый детектор, 2 - корпус детектора, 3 - монокристаллический сцинтиллятор, 4, 5 - фотодиод, 6 - слой компаунда (оптический контакт), 7 - торец сцинтиллятора меньшей площади, 8 - торец сцинтиллятора большей площади, 9 - стеклотекстолитовая плата, 10 - блок питания и приема сигналов датчиков, 11 - источники излучения, 12 - осциллограф, 13 - блок нормализации и усиления сигнала, 14 - компьютер для сбора данных, их обработки и хранения.
Осуществление изобретения
Детектор 1 ионизирующего излучения включает герметичный металлический корпус2 (контейнер), предпочтительно, выполненный из анодированного алюминия, с возможностью заземления, в котором размещен один монокристаллический сцинтиллятор 3 и два фотодиода 4, 5, оптически соединенных с торцами 7, 8 сцинтиллятора с возможностью регистрации электрического сигнала в ответ на излучение световых импульсов, формируемых сцинтиллятором 3. В качестве материала сцинтиллятора предпочтительно выбирают йодид цезия, активированный таллием, или гадолиний-алюминий-галлиевый гранат (GAGG), активированный ионами церия.
Каждый из фотодиодов 4, 5 закреплен на подложке, например, стеклотекстолитовой плате 9 с помощью токопроводящего клея и ультразвуковой сварки. К фотодиодам 4, 5 подведены токовыводящие проводники, связывающие фотодиоды с блоком обработки сигналов через зарядочувствительный предусилитель (ЗЧПУ) (не показано), и образующие два канала. Между фотодиодами 4, 5 и торцами 7, 8 сцинтиллятора расположен тонкий слой компаунда 6, соответственно.
3
3
2
2
Сцинтиллятор 3 представляет собой монокристаллический сцинтиллятор объемом не менее 10 см в форме прямоугольного параллелепипеда с квадратными основаниями. При этом со стороны одного из оснований сцинтиллятора выполнены скосы с формированием правильной усеченной четырехугольной пирамиды, меньшее основание которой образует торец 7 сцинтиллятора площадью, меньше площади противоположного торца 8 сцинтиллятора, по меньшей мере, в 4-5 раза. Таким образом, кристалл сцинтиллятора имеет две области - область кристалла с постоянной площадью поперечного сечения и область кристалла с переменной площадью поперечного сечения, при этом соотношение длин данных частей (L1:(L2-L1), Фиг. 2), предпочтительно, составляет 15:1. Кристалл данной конфигурации может быть получен посредством специальной обработки прямоугольного монокристалла, например, обтачиванием его со стороны одного из торцов с помощью алмазной проволоки и последующим шлифованием. Относительная мягкость и пластичность материала йодида цезия позволяет изготавливать из него сцинтилляторы разнообразных форм и размеров. В предпочтительном варианте реализации изобретения соотношение площадей торцов 7, 8 сцинтиллятора 3 составляет 1:5, соответственно, наиболее предпочтительно, 1:4,84, соответственно, при этом объем кристалла сцинтиллятора 3 составляет 17-20 см, площадь фоточувствительной поверхности фотодиода 4 составляет 1 см, площадь фоточувствительной поверхности фотодиода 5 составляет 5 см, с возможным допустимым отклонением от указанных величин в пределах 5%.
2
Вся поверхность сцинтиллятора 3 за исключением областей оптического контакта с фотодиодами, обработана светоотражающим покрытием (эмалью), а торцы сцинтиллятора в области оптического контакта с фотодиодами выполнены отполированными. Для обеспечения хорошего оптического контакта между сцинтиллятором и фотодиодом вводят, как правило, тонкий слой вещества с показателем преломления около 1,5, например, минеральное или силиконовое масло. Оптический контакт между сцинтиллятором и фотодиодами также может быть обеспечен за счет использования кремнийорганического компаунда. Материал светоотражающего покрытия может представлять собой силиконовую смолу или термопластический фторполимер, содержащий частицы оксида титана (ТiO). В частности, в качестве светоотражающего покрытия может использоваться политетрафторэтилен (например, фторопласт Ф-4), фторированный этиленпропилен и перфторалкокси-полимерная смола. В качестве материала светоотражающего покрытия также может быть использована, например, окись магния или окись алюминия. Поверхность сцинтиллятора может быть покрыта, например, эмалью ВЛ-548.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения в качестве фотоприемников в сцинтилляционных детекторах используют кремниевые pin-фотодиоды, например, ФД-321М, ФД-327М, ФДУК-100УВ и др. В качестве фотоприемников также могут выступать лавинные фотодиоды (в т.ч. микропиксельные).
Монокристалл сцинтиллятора 3 устанавливают в корпус 2 и фиксируют посредством заливки компаундом свободного объема между наружной поверхностью сцинтилляционного кристалла и внутренней части корпуса.
Заявляемый детектор работает следующим образом.
Излучение (например, рентгеновское или гамма-кванты), направленное на детектор, попадает в сцинтиллятор 3, поглощается в объеме сцинтиллятора, создавая в нем световые вспышки видимого диапазона, которые регистрируются фотодиодами 4, 5, формирующими электрические сигналы пропорционально числу принятых световых импульсов, а также их интенсивности. При этом светоотражающее покрытие способствует увеличению светособирания световых вспышек в объеме сцинтиллятора. Применение двух фотодиодов, характеризующихся различными размерами и различной площадью оптического контакта с кристаллом сцинтиллятора, обеспечивает возможность дифференциации сигналов, генерируемых регистрируемым излучением различной энергии. Дифференциация сигналов позволяет достигнуть высокого отношения сигнал/шум (в эксперименте достигнуто значение 35/1), а также различать сигналы большей и меньшей мощности, таким образом, увеличивая энергетическое разрешение детектора.
Электрические сигналы с фотодиодов представляются в цифровой форме и запоминаются в электронном блоке обработки сигнала. Дальнейший анализ сигналов проводится с использованием различных известных из уровня техники алгоритмов. Блок обработки сигналов может включать предварительные усилители сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллеры и устройства сопряжения, преобразующие сигнал в цифровой код (например, RS-232, RS-485). При этом корпус 2 детектора должен быть соединен с аналоговой землей.
Пример конкретного выполнения.
3
Был изготовлен образец заявляемого детектора (Д1), характеризующийся следующими параметрами. Материал монокристалического сцинтиллятора - йодид цезия, активированный таллием; объем кристалла сцинтиллятора - 17 см; длина L1 кристалла -3 см; длина L2 кристалла - 3,2 см; поперечное сечение в области контакта с первым PIN-фотодиодом 2,2×2,2 см и 1,0×1,0 см - в области контакта со вторым PIN-фотодиодом; соотношение длины участка сцинтиллятора с постоянной площадью поперечного сечения к длине участка сцинтиллятора с переменной площадью поперечного сечения - 15:1. Двугранный угол при меньшем основании усеченной пирамиды с торцевой стороны сцинтиллятора составлял 120°. В качестве фотодиода с меньшей площадью фоточувствительной поверхности использовался фотодиод, имеющий значение емкости 70-80 пФ и величину темнового тока 1-5 рА при напряжении обратного смещения 20 В, а в качестве фотодиода с большей площадью фоточувствительной поверхности использовался фотодиод, имеющий значение емкости 280-330 пФ и величину темнового тока 9-12 рА при напряжении обратного смещения 20 В. Сцинтиллятор был обработан светоотражающим покрытием по всей поверхности за исключением мест оптического соединения с фотодиодами, торцевые поверхности сцинтиллятора были отполированы.
Изготовленный образец заявляемого детектора исследовался на детектирование ионизирующих излучений различных энергий. На Фиг. 3 представлена схема установки, используемая для исследования образца.
Для подачи питания и съема аналогового сигнала образец детектора 1 был подключен к блоку 10 питания и приема сигналов датчиков детектора. Вблизи детектора 1 на расстоянии не более 10-15 см поочередно устанавливались эталонные (образцовые) типа ОСГИ-П источники 11 фотонного излучения Со-60 и Cs-137 с энергией фотонов 1332,5 кэВ и 661,66 кэВ, соответственно. Аналоговый сигнал с блока 10 питания и приема сигналов датчиков с контролем посредством осциллографа 12 подавался на блок 13 нормализации и усиления сигнала в зарядочувствительный предусилитель, выход которого связан с АЦП (не показано). Таким образом, сигналы с выхода предусилителя обрабатывались АЦП и поступали на компьютер 14, в котором в соответствии с программой, определялся основной параметр детектора - соотношение «сигнал -шум». На Фиг. 4 приведена полученная энергетическая гистограмма для образца детектора Д1. Аналогичные измерения были проведены для второго образца детектор Д2 со сцинтилляционным кристаллом в форме параллелепипеда поперечного сечения 2,2×2,2 см и двумя фотодиодами 2,2×2,2 см, соединенными с торцами параллелепипеда. Энергетическая гистограмма для образца детектора Д2 представлена на Фиг. 5.
Эксперименты показали, что образец детектора Д1 позволяет регистрировать и различать ионизирующее излучение от различных источников излучения (Со-60 и Cs-137), характеризующихся различной мощностью, при этом соотношение «сигнал/шум» достигает значения 35/1 при облучении детектора Д1 источником Со-60, и значения 20/1 при облучении детектора Д1 источником Cs-137 (при тех же условиях).
Представленные на Фиг. 3, 4 гистограммы демонстрируют два результата отклика детектирующей системы на воздействие двух потоков дискретного энергетического излучения различного по энергиям. Заявляемый детектор Д1 в ответ на поочередное облучение двумя источниками Со-60 и Cs-137 демонстрирует гистограммы, характеризующиеся двумя выраженными пиками (один острый и один пологий), соответствующими энергиям детектируемого излучения от двух источников. При этом детектор Д2, подверженный облучению от этих же источников демонстрирует энергетическую гистограмму с единственным пиком, не позволяющим выявить присутствие источника с меньшей энергией излучения на фоне излучения более мощного источника.
Таким образом, за счет увеличения соотношения сигнал/шум достигнуто увеличение энергетического разрешения детектора ионизирующего излучения с расширением диапазона регистрируемых детектором энергий.
Аналогичные измерения были проведены для образца детектора с кристаллом сцинтиллятора на основе GAGG (с соотношениями площадей торцевых поверхностей 1:4, 1:5, 1:6), которые также показали достижение заявленного технического результата.