Двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения
TWO-CHANNEL IONISATION RADIATION SCINTILLATION COUNTER

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к подсчету количества гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 109 имп./мин и может быть использовано для точной регистрации потоков рентгеновского или гамма излучения двух различных энергий одновременно.
Из патента US6624420B1 [МПК C09K11 / 00, G01T1 / 00, приоритет 1999-02-18] известен монокристаллический сцинтилляционный детектор на основе ортосиликата иттрия лютеция. Сборка сцинтилляционного детектора содержит монокристалл ортосиликата лютеция, легированного церием, а также, фотонный детектор, соединенный с указанным кристаллом, причем электрический сигнал генерируется от фотонного детектора в ответ на воздействие на указанный кристалл гамма-излучения высокой энергии. Обладая высокой чувствительностью к гамма-излучению и другим частицам высоких энергий данный детектор, однако, не позволяет производить разделение излучаемой энергии по диапазонам.
Из патента CN205880232U [МПК  G01T1/202, приоритет 2016-03-22] известен сцинтилляционный детектор с двойной головкой, содержащий сцинтилляционный зонд, из кристалла бромида лантана и зонд с кристаллом BGO, с последовательно подключенными к каждому из них фотоумножителем, предварительным усилителем, системой многоканального анализа. Проблемой, которую решает изобретение является измерение излучения с использованием системы из двух разных зондов, совместно использующих электронную систему. Недостатком системы является необходимость использования двух различных кристаллов у сцинтилляционных зондов для измерения излучения в различных диапазонах, с различной термостабильностью и быстродействием, а также его громоздкость, вследствие больших размеров кристаллов.
Наиболее близким к заявляемому, прототипом, является  сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, описанный в патенте RU2548048 [ МПК G01T1/20, приоритет от 15.11.2013], содержащий сцинтиллятор на основе ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) и фотоэлектронный умножитель, в котором сцинтиллятор через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем, который связан с источником питания, подключенным к усилителю дискриминатору, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты, который подключен к микроконтроллеру, связанному с персональным компьютером. Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, счетчик подсчитывает количество гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 109 имп./мин.  В счетчике использован сцинтиллятор, на основе ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO), который через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем.  Регистрируемые электрические импульсы, возникающие при прохождении гамма квантов через сцинтиллятор, проходят через усилитель-дискриминатор, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты. Микроконтроллер передает оцифрованную информацию о подсчитанных импульсах в персональный компьютер. Достоинством изобретения являются разработка миниатюрного устройства, способного подсчитывать гамма кванты высокой интенсивности. Основной недостаток данного устройства заключается в невозможности производить подсчет гамма квантов по двум выделенным энергиям одновременно. Это значительно сужает область его применения. Подобные счетчики могут только подсчитывать количество гамма квантов без определения диапазона энергии.
Общими существенными признаками с заявляемым изобретением является наличие сцинтиллятора, через оптический герметик связанного с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источника питания, усилителя дискриминатора, микроконтроллера.
Задачей заявляемого изобретения является разработка миниатюрного устройства, подсчитывающего гамма кванты различных энергий высокой интенсивности в двух выбранных диапазонах, с увеличенными быстродействием и термостабильностью, а также расширение арсенала средств для регистрации нескольких потоков рентгеновского или гамма излучения одновременно.
Поставленная задача решена за счет того, что двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, содержащий сцинтиллятор, связанный через оптический герметик с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источник питания, усилитель дискриминатор, микроконтроллер, содержит сцинтиллятор, выполненный на основе ортосиликата лютеция, легированного церием LYSO, а блок усилителя-дискриминатора, содержит два дискриминатора, каждый из которых выполнен с возможностью регистрации электрических импульсов с амплитудой заданного диапазона.
Регистрация квантов двух различных энергий достигается при помощи предлагаемой системы дискриминаторов. Дискриминаторы выделяют два отдельных необходимых энергетических диапазона (диапазона амплитуд электрических импульсов). Таким образом, выделяется из одного общего потока электрических импульсов два отдельных информационных канала, несущих информацию о количестве гамма квантов выделенных дискриминаторами диапазонов. Разделенные по амплитуде электрические импульсы, соответствующие гамма квантам разных энергий через микроконтроллер, производящий подсчет сформированных импульсов, поступают на персональный компьютер, обрабатывающий итоговую информацию. Это позволяет производить подсчет гамма квантов как низкоэнергетического, так и высокоэнергетического излучения одним счетчиком одновременно.
Согласно изобретению, двухканальный счетчик выполнен на основе сцинтиллятора LYSO. Отличительной особенностью сцинтиллятора LYSO от сцинтиллятора BGO является существенно меньший температурный коэффициент светового выхода (0,28%/°C), что является важным при использовании в гамма-спектрометрах, работающих в разных условиях окружающей среды, поскольку позволяет получить гораздо более стабильную энергетическую шкалу системы. При температурах близких к 100°С кристалл BGO способен дать только 0.5% фотовспышек от первоначального излучения при 0°С, для кристалла LYSO данное значение составляет 80% [http://www.detectors.saint-gobain.com/]. Благодаря этому заявляемый счетчик обладает повышенной термостабильностью. Большим преимуществом кристаллов LYSO по сравнению с кристаллами BGO является существенно меньшая постоянная времени спада светового импульса - 40 нс [http://www.azimp.ru/catalogue/Scintillators-crystals1/33/] по сравнению с 300 нс соответственно. Это позволяет сформировать более короткий импульс на выходе детектора и, следовательно, увеличить быстродействие.
Устройство содержит в себе сцинтиллятор и кремниевый полупроводниковый фотоумножитель (ФЭУ). Кремниевый фотоумножитель представляет собой детектор 3-ого поколения с улучшенными параметрами, так называемый «М-тип», особенностью которого является быстродействующий выход, позволяющий получить сигнал с временем нарастания фронта импульса около 100 пс. и временем восстановления менее 1 нс., что необходимо для работы счетчика при высоких скоростях считывания. Кремниевые фотоумножители обладают преимуществами в виде компактных размеров с различным размером активной области: 0,25×0,25 мм2, 1×1 мм2, 3×3 мм2 и 6×6 мм2 с размерами микро ячейки 20 мкм, 35 мкм и 50 мкм, нечувствительностью к воздействию магнитных полей, работой от низкого напряжения – 30 В, механической прочностью и невосприимчивостью к внешней засветке приведены основные типовые характеристики ведущего производителя кремниевых фото умножителей. Преимущество в компактности фотоумножителя одновременно является препятствием для использования хорошо изученных сцинтилляторов кристаллов NaI(Tl) или CsI(Tl). Малая активная область около 6×6 мм2 требует использовать сцинтилляторы с большей плотностью и радиационной длинной. В предлагаемом устройстве используется сцинтиллятор ортосиликат лютеция легированный церием LYSO, удовлетворяющий этим условиям.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок схема двухканального сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения.
Счетчик состоит из сцинтиллятора 1, выполненного на основе кристалла ортосиликата лютеция, легированного церием (LYSO) и склеенного при помощи силиконового герметика 2 с кремниевым фотоумножителем (ФЭУ) 3 с активной площадью 6×6 мм2. Питание кремниевого ФЭУ напряжением около 30В осуществляется источником питания 4. На выходе ФЭУ установлен зарядово-чувствительный быстродействующий усилитель-дискриминатор 5, включающий в себя блок усилителя 6 и два дискриминатора 7 и 8 на базе операционных усилителей, генери¬рующий выходные электрические импульсы при условии, что импульс заряда на входе превышает не-который порог, соответствующий детек¬тируемым световым фотонам. С выходов усилителя-дискриминатора 5 (УД) соответствующих дискриминаторам 7 (Д1) и и 8 (Д2) импульсы поступают на микроконтроллер 9 (МК), который подсчитывает их отдельно по каждому из двух каналов. Подсчитанное количество импульсов с выхода микроконтроллера 9 передается на персональный компьютер 10 (ПК).
В предлагаемом устройстве использован сцинтиллятор 1 на основе кристаллов LYSO с радиационной длиной равной 1,13 см и размером 1см3. Эти параметры сцинтиллятора позволяют регистрировать гамма кванты с энергиями до 2 МэВ. Использование усилителя-дискриминатора, содержащего в своем составе два дискриминатора, настраиваемых на различные диапазоны амплитуд импульсов, позволяет выделять два диапазона энергий гамма квантов и оценивать количество гамма квантов в каждом из них.
В качестве кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 можно использовать детектор, поставляемый компанией SENSL [Ирландия  http://www.sensl.com/ downloads/ds/DS-MicroFM.pdf], который позволяет получать сигнал с временем нарастания фронта импульса около 100 пс и временем восстановления менее 1 нс.
В качестве источника питания 4 может быть использован источник, выполненный по схеме, приведенной в прототипе.
Усилитель дискриминатор 5 (УД) содержит в себе усилитель 6 (У), построенный на основе операционного усилителя AD8132A, и дискриминаторы 7 (Д1) и 8 (Д2), построенные на основе операционных усилителей AD8052.
В качестве микроконтроллера 9 (МК) можно использовать контроллеры компании Atmel [http://www.atmel.com/ru/ru/products/microcontrollers/avr/default.aspx].
Устройство работает следующим образом.
Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения размещают рядом с интенсивным источником гамма квантов или рентгеновского излучения, генерирующего излучение в двух диапазонах энергий. Сцинтиллятор 1 (С) преобразует гамма кванты во вспышки света длительностью до 40 нс. Вспышки света через силиконовый герметик 2 (СГ) поступают на кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ), который преобразует их в импульсы напряжения, при этом формируются электрические импульсы с амплитудой из двух диапазонах напряжений, соответствующих двум диапазонам энергии источника, и мно¬жество малых импульсов, которые возникают из-за шумов в самом кристалле кремниевого фотоэлектронный умножителя 3 (ФЭУ). Кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ) получает питание от источника питания 4 (ИП). Импульсы от кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 (ФЭУ) длительностью 10-20 нс поступают на усилитель 6 (У) усилителя-дискриминатора 5 (УД). Усиленные импульсы поступают на дискриминаторы 7 (Д1) и 8 (Д2).
Импульсы с амплитудой из двух диапазонов напряжения, соответствующих детектируемым фотонам источника в двух диапазонах энергий, и мно¬жество малых импульсов, являющихся шумами, поступают на дискриминаторы 7 (Д1) и 8 (Д2). При этом дискриминатор 7 (Д1) настроен таким образом, чтобы отсекать шумы и импульсы с амплитудой из первого диапазона, соответствующего первому диапазону энергий источника, а дискриминатор 8 (Д2) - чтобы отсекать шумы и импульсы с амплитудой из второго диапазона амплитуд, соответствующего второму диапазону энергий источника. Таким образом, электрические импульсы на выходе дискриминатора 7 (Д1) соответствуют только импульсам ФЭУ, вызванным квантами излучения источника второго диапазона энергий, а электрические импульсы на выходе дискриминатора 8 (Д2) соответствуют импульсам ФЭУ, вызванным квантами излучения источника первого диапазона энергий, в то время как импульсы ФЭУ, соответствующие шумам, отсутствуют в импульсах после дискриминаторов 7 (Д1) и 8 (Д2). В результате формируются два отдельных канала информации, соответствующие двум диапазонам энергии источника, количество импульсов в каждом из которых определяется количеством квантов излучения источника в соответствующем диапазоне энергий. С выходов усилителя дискриминатора 5 (УД) соответствующих дискриминаторам 7 (Д1) и 8 (Д2) снимаются импульсы длительностью 20-30 нс и поступают на микроконтроллер 9 (МК), который подсчитывает их отдельно по каждому из двух каналов. Подсчитанное количество импульсов передается на персональный компьютер 10 (ПК).
Таким образом, предложенное устройство, обладая миниатюрными размерами  способно подсчитывать рентгеновские или гамма кванты с энергией от сотен кэВ до единиц МэВ в двух различных спектральных диапазонах. Благодаря использованию кристалла ортосиликата лютеция, легированного церием в качестве сцинтиллятора, счетчик способен стабильно работать при температурах вплоть до 100̊С, что обеспечивает термостабильность предложенного счетчика с быстродействием до 109 имп/мин. Также предложенное устройство расширяет арсенал средств, позволяющих вести регистрацию нескольких потоков рентгеновского или гамма излучения одновременно.