КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР
COORDINATE-SENSITIVE DETECTOR

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений, к области обнаружения источника ионизирующего излучения на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.
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, т.к. не обеспечивает двухкоординатную регистрацию протонов отдачи с пробегом меньше поперечного сечения одиночного волокна, а также имеет ограничения по количеству волокон в слое и числу слоев, накладываемые числом используемых фотоприемников. Устройство имеет ограниченное пространственное разрешение, определяемое сечением волокна.
Известен детектор нейтронов, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, содержащий 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.).
Детектор нейтронов сложен для реализации, имеет низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации быстрых нейтронов, не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения. Размеры элементов ограничены и представляют собой волокна с поперечным размером не более 1 мм.
Известен многослойный детектор, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, изготовленных из набора материалов, плотность которых монотонно возрастает от первого ряда к последнему слою, и фотоприемников. Рекламный листок Института физики твердого тела Российской Академии Наук, Черноголовка, Московской области, 2005 г. «Антитеррористические просвечивающие установки для экспрессного выявления взрывчатых веществ».
Недостатком такого детектора и установки в целом является необходимость получения изображения скрытых предметов при просвечивании рентгеновским излучением конкретных предметов в явочном порядке. Детектор предназначен для регистрации лишь одного типа излучения, а именно рентгеновского, и не может регистрировать нейтронное излучение.
Известен координатно-чувствительный детектор, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники. В детекторе сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением, на одной из граней каждого стержня выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, фотодиоды обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. Патент Российской Федерации на полезную модель №54440, МПК: G01T 3/06, 2006 г., прототип.
Прототип обладает сравнительно низкой технологичностью изготовления детектора (обработка каждого отдельного стержня, выполнение в нем канавок и т.п.).
Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Задачей изобретения является разработка технологичного детектора ионизирующих излучений для визуализации пространственного распределения плотности потока ионизирующих излучений с улучшенными свойствами: повышенной эффективностью, стабильностью, механической прочностью, сроком службы, разработка детекторов практически любой площади, не требующих высоковольтного питания, специальных помещений и т.п.
Техническим результатом изобретения является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, определение местоположения источника излучения, повышение эффективности сбора света, возникающего в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы и его транспортировке к фотодиодам, повышение пространственного разрешения регистрации ионизирующей частицы.
Технический результат достигается тем, что в координатно-чувствительном детекторе, содержащем блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах светопереизлучающих волокон расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, блок сцинтиллирующих оптических элементов выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, параллельный ряд светопереизлучающих волокон, фотодиоды которых подключены к электронной плате с выходным регистром.
Светопереизлучающие волокна расположены в канавках сцинтиллирующей пластины, выполненных, по крайней мере, на одной из ее сторон.
Светопереизлучающие волокна расположены в средней плоскости сцинтиллирующей пластины или между сцинтиллирующими пластинами.
Светопереизлучающие волокна закреплены, по крайней мере, непосредственно на одной из поверхностей сцинтиллирующей пластины с помощью оптического клея.
Одна сцинтиллирующая пластина расположена между двумя светосборниками из материала, прозрачного для света, выходящего из светопереизлучающего волокна, а на поверхности светосборника выполнены канавки для расположения светопереизлучающих волокон.
Координатно-чувствительный детектор излучений содержит одну сцинтиллирующую пластину с закрепленными рядами светопереизлучающих волокон с шагом не менее диаметра волокна, фотодиоды соединены с волокнами, по крайней мере, на одном из их торцов.
Координатно-чувствительный детектор излучений содержит не менее двух сцинтиллирующих пластин с закрепленными рядами светопереизлучающих волокон, пластины соединены с возможностью их плоско-параллельного перемещения относительно друг друга с шагом не менее диаметра светопереизлучающего волокна и не более расстояния между волокнами.
Координатно-чувствительный детектор ионизирующих излучений содержит не менее двух сцинтиллирующих пластин с закрепленными рядами светопереизлучающих волокон, расположенных перпендикулярно друг другу.
Координатно-чувствительный детектор ионизирующих излучений содержит не менее двух пар сцинтиллирующих пластин с закрепленными рядами светопереизлучающих волокон, расположенных перпендикулярно друг другу, с возможностью плоско-параллельного перемещения последующей пары относительно предыдущей пары.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5.
На фиг.1 представлена схема однокоординатного детектора, где: 1 - сцинтиллирующая пластина, 2 - светопереизлучающие волокна, 3 - фотодиоды.
На фиг.2 представлено устройство однокоординатного детектора со светопоглощающими слоями, где: 1 - сцинтиллирующая пластина, 2 - светопереизлучающие волокна, 4 - светопоглощающие слои (пластины).
На фиг.3 представлена схема двухкоординатного детектора, где: 1 - сцинтиллирующая пластина, 2 - светопереизлучающие волокна, 4 - светопоглощающий слой (пластина).
На фиг.4 представлено устройство однокоординатного детектора, в котором сцинтиллирующая пластина выполнена из набора стержней с поперечным сечением D, на торцах которых расположены фотодиоды, где: 1 - сцинтиллирующая пластина или набор стержней с поперечным сечением D, 3 - фотодиоды, 5 - примеры направления движения ионизирующей частицы.
На фиг.5 схематично представлена электронная схема с двумя усилителями, двумя дискриминаторами и схемой совпадений, где: 3 - фотодиоды, 6 - первый аналоговый усилитель, 7 - второй аналоговый усилитель, 8 - первый аналоговый выход, 9 - второй аналоговый выход, 10 - первый дискриминатор, 11 - второй дискриминатор, 12 - схема совпадений.
Однокоординатный детектор (фиг.1) состоит из сцинтиллирующей пластины 1, выполненной из пластмассы, органического кристалла, кристаллического сцинтиллятора, сцинтиллирующего стекла с встроенными светопереизлучающими волокнами 2, на торцах которых расположены фотодиоды (фотоприемные устройства). Координатно-чувствительный детектор ионизирующих излучений работает следующим образом.
При прохождении через координатно-чувствительный детектор ионизирующей частицы сигнал возникает в нескольких ближайших фотодиодах 3, количество которых определяется количеством рожденных фотонов. Определение координаты сцинтилляционной вспышки проводят на основании сравнения амплитуд сигналов поступивших с различных фотодиодов 3 и нахождения центра тяжести пространственного распределения этих сигналов. При прохождении через сцинтиллирующую пластину 1 ионизирующей частицы в ней рождаются фотоны, распространяющиеся во все стороны. Часть фотонов проходит через светопереизлучающие волокна 2, в которых первичные фотоны частично (примерно с вероятностью 0,8) захватываются и излучают вторичные фотоны с большей длиной волны. Частично (примерно 5%) вторичные фотоны за счет полного внутреннего отражения на границе волокно и его оболочка доходят до торца волокна, где попадают на фотоприемное устройство - фотодиоды 3. В зависимости от типа используемого фотоприемного устройства (ФЭУ или фотодиода) вторичные фотоны генерируют с вероятностью от 0,1 до 0,8 в фотоэлектроны. Полученный электронный сигнал поступает на вход электронной схемы (фиг.5), предназначенной для дискриминации и усиления сигнала. Электронная схема может содержать также элементы отбора сигналов по совпадениям или антисовпадениям. Амплитуда сигнала, поступающего с того или иного фотодиода, зависит от расстояния между светопереизлучающим волокном 2 и треком ионизирующей частицы. При толщине сцинтиллирующей пластины 1, равной диаметру светопереизлучающего волокна 2, сигнал поступает только с двух смежных устройств.
Пространственная координата определяется по соотношению сигналов, поступивших с нескольких фотодиодов 3 во временном окне, устанавливаемом в зависимости от типа сцинтиллятора, и характеристик электронной схемы.
Для улучшения пространственного разрешения на поверхности сцинтиллирующей пластины 1 расположены (фиг.2-3) светопоглощающие слои (пластины) 4 из материала с тем же коэффициентом преломления и поглощающие свет от сцинтилляционной вспышки, распространяющейся в направления, где светопереизлучающие волокна 2 отсутствуют. При отсутствии светопоглощающих слоев (пластин) 4 свет может попасть на светопереизлучающие волокна 2 за счет полного внутреннего отражения на границе сцинтиллирующая пластина 1 - воздух, что приводит к меньшей зависимости сигнала от расстояния между светопереизлучающим волокном 2 и треком и ухудшению пространственного разрешения.
Для определения двух координат места пересечения ионизирующей частицей регистрирующего устройства его выполняют из двух идентичных однокоординатных детекторов с взаимно перпендикулярным расположением светопереизлучающих волокон 2, каждый из которых работает, как описано выше (фиг.3).
Материал пластины светосборника (на фигурах не показан) прозрачен для света, выходящего из светопереизлучающих волокон 2 с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления выходного окна сцинтиллирующей пластины 1 или выходного окна сцинтиллятора (детектирующего элемента). Это приводит к уменьшению потери света из-за полного внутреннего отражения света на границе раздела выходного окна и светосборника.
Для уменьшения потерь света светопереизлучающие волокна 2 со сцинтиллирующей пластиной 1 или пластиной светосборника, а также пластины светосборника со сцинтиллирующей пластиной 1 или его выходным окном соединяют с помощью оптического контакта (клея) - иммерсионной среды с близким (или промежуточным для материалов волокна, сцинтиллятора, выходного окна сцинтиллятора и светосборника) коэффициентом преломления. Сцинтиллирующие пластины 1 со светопереизлучающими волокнами 2 и фотодиодами 3 покрыты светоотражающим (типа TYVEK) и светозащитным материалами (фирмы Дюпон). Светопереизлучающие волокна 2 обеспечивают эффективный сбор света, возникающего в сцинтиллирующей пластине 1 при прохождении ионизирующей частицы и транспортировке света к фотодиодам 3.
Фотодиоды 3 подключены к электронной схеме (плате), которая при поступлении сигнала с фотодиода 3 вырабатывает аналоговый сигнал, оцифровывает его и заносит в выходной регистр с указанием времени прихода, номера светопереизлучающего волокна 2 и амплитуды его сигнала (Фиг.5). Сигнал с фотодиода 3 поступает на аналоговый усилитель 6 и/или 7, после которого аналоговый сигнал амплитудой 120 мВ на 1 МэВ поглощенной в сцинтиллирующей пластине 1 энергии частицы, длительностью примерно 100 нс, поступает одновременно на дискриминатор 10 и/или 11 с регулируемым порогом дискриминации и на соответствующий аналоговый выход. В случае применения двух фотодиодов 3 логические сигналы с дискриминаторов идут на схему совпадений 12. Если на обоих входах схемы совпадений 12 появляются сигналы, схема совпадений вырабатывает сигнал, который хранится в выходном регистре схемы. Внешний контроллер опрашивает выходные регистры схем совпадений 12 и в случае наличия в нем сигнала (запроса) осуществляет считывание сигнала с аналогового выхода для его передачи в компьютер для дальнейшей оцифровки и анализа. При этом регистрируется также время прихода запроса и номер регистра (номер фотодиода). Материал сцинтиллирующих пластин 1 для регистрации тепловых нейтронов представляет собой литийсодержащее сцинтиллирующее стекло. Материал сцинтиллирующих пластин 1 для регистрации заряженных частиц представляет собой сцинтиллирующее стекло или пластмассовый сцинтиллятор. Материал сцинтиллирующих пластин 1 для регистрации гамма-излучения представляет собой сцинтиллирующее стекло, пластмассовый сцинтиллятор или пластины из NaI(Tl) с выходными окнами с двух сторон из стекла. Для повышения пространственного разрешения однокоординатный координатно-чувствительный детектор выполнен из нескольких слоев. При этом смежные слои выполнены с возможностью их плоско-параллельного перемещения относительно друг друга. Пространственная координата определяется из анализа амплитуд сигналов, поступивших с различных сцинтиллирующих пластин 1 и фотодиодов 3 координатно-чувствительного детектора в целом.
Шаг, на который один слой смещен относительно другого, меняют в зависимости от числа слоев в пределах от диаметра волокна до расстояния между волокнами (фиг.1, 2) или от 0 до размера D сцинтиллирующей пластины или разбрасывают по закону случайных чисел в указанных пределах. В пластинах светосборника выполнены проточки, в которые уложены отрезки светопереизлучающих волокон 2, а также подготовлены места для крепления фотодиодов 3.
Закрепленные на пластинах светосборника фотодиоды 3 примыкают к торцам светопереизлучающих волокон 2 с зазором 0,2-0,3 мм.