ГЕТЕРОГЕННЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

Полезная модель относится к технике регистрации гамма-излучения и может быть использовано при разработках высокочувствительных детекторов, предназначенных для обнаружения и идентификации γ-источников в условиях повышенного нейтронного и гамма-фона, в частности, в системах таможенного контроля. Основными требованиями, предъявляемыми к детекторам, являются: высокая эффективность и спектральная чувствительность регистрации гамма-квантов, большая апертура детектора, высокое быстродействие, низкая чувствительность детектора к нейтронам и, как итог, повышение отношения эффект/фон при проводимых измерениях.
эф
6
Известны разнообразные технические устройства для регистрации и спектрометрии γ-излучения: полупроводниковые детекторы на основе германия, сцинтилляционные детекторы на основе органических и неорганических материалов, а также газовые ионизационные детекторы. Однако каждое из них указанным требованиям в полной мере не удовлетворяет [Л.С.Горн, Б.И. Хазанов. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. Энергоатомиздат, М, 1989]. Так, полупроводниковые детекторы обладают высоким энергетическим разрешением, но имеют недостаточно высокую чувствительность, связанную с малой апертурой. Сцинтилляционные детекторы на основе органических веществ могут быть изготовлены с большой апертурой (~50×100 см). Они имеют высокое быстродействие, но обладают слабой спектральной чувствительностью (Z≤6) и высокой чувствительностью к нейтронному излучению. Сцинтилляционные детекторы на основе неорганических кристаллов NaI(Tl), CsI(Tl), BGO и т.п. обладают удовлетворительной спектральной чувствительностью и сравнительно высокой эффективностью регистрации (Z≅50), при ограниченной апертуре (~20 см). Основным недостатком таких детекторов является сравнительно малое быстродействие (время высвечивания сцинтилляций составляет ~1 мкс), что приводит к проблеме наложения импульсов фонового γ-излучения возникающего в реакциях (n, γ)-образования при взаимодействии нейтронов с веществом детектора, когда измерения проводятся в смешанных n, γ-полях. Обнаружение слабоинтенсивных источников мягкого гамма-излучения с помощью таких детекторов зачастую затруднено из-за значительного фона комптоновских электронов, обусловленных высокоэнергетичными гамма-квантами. Обнаружение слабоинтенсивных источников жесткого излучения (Еγ~10 МэВ) с помощью таких детекторов также затруднено из-за высокого соотношения скоростей счета мягкого и жесткого гамма-излучения (~10). Кроме того, неорганические кристаллы активируются нейтронами, что в сочетании с их большим объемом ведет к увеличению фона.
Газовые ионизационные детекторы отличаются простотой и сравнительно низкой стоимостью, но по отмеченным характеристикам они в той или иной степени уступают перечисленным выше детекторам.
Близким к заявленному является устройство (Терехин В.А., Чернухин Ю.И., Стрельцов С.И, патент Российской Федерации №56003U1, G01T 3/00, опубл. 27.08.2006 г., бюл. №24), которое представляет собой детектор, состоящий из чередующихся замедляющих нейтроны и детектирующих излучение слоев; для повышения его чувствительности к γ-квантам между замедляющими нейтроны и детектирующими слоями установлены конвертирующие слои из высокоплотного материала с высоким атомным номером. В качестве замедляющих нейтроны слоев в нем используются пластины из полиэтилена толщиной ~1-2 см. Недостатком такого устройства является то, что при решении задач, ориентированных только на регистрацию γ-квантов, наличие замедляющих нейтроны слоев в детекторе не только излишне, но и вредно, поскольку они являются источником дополнительного γ-фона, уменьшают чувствительность детектора из-за дополнительного рассеяния γ-квантов и, самое главное, не позволяют реализовать идею регулирования спектральной чувствительности детектора.
В качестве прототипа заявленной полезной модели было принято техническое предложение детектора гамма излучения (Терехин В.А., Чернухин Ю.И., Стрельцов С.И. Гетерогенный сцинтилляционный детектор гамма излучения. Атомная энергия, т.101, вып.2, 2006), состоящего из попарно чередующихся слоев конвертирующего материала (например, свинца), в которых поток гамма квантов трансформируется в поток быстрых заряженных частиц (электронов и позитронов), и примыкающих к ним сенсорных слоев из сцинтиллятора, в которых энергия заряженных частиц преобразуется в световые сцинтилляции, регистрируемые фотоэлектронным умножителем или другим светочувствительным прибором.
Однако это предложение не содержит технического решения, позволяющего осуществлять регулировку спектральной чувствительности детектора.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в разработке, высокоэффективного, широкоапертурного детектора гамма-квантов с новым качеством - регулируемой спектральной чувствительностью.
Технический результат заявленного технического решения состоит в повышении чувствительности обнаружения слабоинтенсивных источников γ-квантов за счет улучшения отношения полезного сигнала к фоновому с помощью гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД) с регулируемой спектральной чувствительностью.
Для получения такого технического результата предлагаемое устройство, состоящее из чередующихся конвертирующих и детектирующих излучение слоев, в котором все детектирующие слои в целом и каждый из детектирующих слоев в отдельности подключены к системе обработки информации, содержит целенаправленно выбранный набор чередующихся конвертирующих и детектирующих слоев с фиксированными параметрами (материал, число и толщины слоев) и систему регистрации сигналов от детектирующих слоев для селекции энергии гамма-квантов по кратности их регистрации в нескольких детектирующих слоях.
В другом варианте исполнения предлагаемое устройство, состоящее из чередующихся изолированных детектирующих излучение слоев, в котором все детектирующие слои в целом и каждый из детектирующих слоев в отдельности подключены к системе обработки информации, содержит целенаправленно выбранный набор чередующихся детектирующих слоев с фиксированными параметрами (материал, число и толщины слоев) и систему регистрации сигналов от детектирующих слоев для селекции энергии гамма-квантов по кратности их регистрации в нескольких детектирующих слоях.
Это приводит к тому, что предложенная пространственно-функциональная структура детектора обеспечивает возможность создания детекторов с регулируемой спектральной чувствительностью, большой апертурой (≥50×50 см), высокой эффективностью регистрации γ-излучения (~50%), большим быстродействием (с временем высвечивания сцинтилляций ~5÷50 нc) и низкой чувствительностью к нейтронам, что в совокупности ведет к повышению отношения эффект/фон при измерениях и, как следствие, к повышению надежности обнаружения и идентификации γ-источников.
В результате проведенного заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованиям "новизны" по действующему законодательству.
Сущность разработки поясняется следующими материалами:
Фиг.1 - Расчетная схема измерительной системы с ГСД (размеры в см.);
Фиг.2 - Энергетическая зависимость одно-, двух- и трехкратной регистрации γ-квантов детектора ГСД-1;
Фиг.3. - Энергетическая зависимость одно-, двух- и трехкратной регистрации γ-квантов детектора ГСД-2;
Фиг.4 - Энергетическая зависимость одно-, двух-, трех- и четырехкратной регистрации γ-квантов детектора ГСД-3;
Фиг.5 - Энергетическая зависимость эффективности регистрации γ-квантов детекторов ГСД-1,2,3;
Фиг.6 - Энергетическая зависимость средней кратности регистрации γ-квантов детекторов ГСД-1,2,3;
Таблица «Характеристики расчетных моделей ГСД»;
Заявляемое устройство из чередующихся конвертирующих (К) и детектирующих (Д) излучение слоев, в котором все детектирующие слои (Д) в целом и каждый из детектирующих слоев (Д) в отдельности подключены к системе обработки информации, содержит целенаправленно выбранный набор чередующихся конвертирующих и детектирующих слоев с фиксированными параметрами (материал, число и толщины слоев) и систему регистрации сигналов от детектирующих слоев, позволяющую осуществить селекцию энергии гамма-квантов по кратности их регистрации в нескольких детектирующих слоях.
В другом варианте конвертирующие слои отсутствуют.
Устройство работает следующим образом (фиг.1).
i
i
i
Гамма-кванты с энергией Е, распространяющиеся в направлении Z, падают на фронтальную поверхность конвертирующих слоев (К) и, взаимодействуя с ними, создают поток электронов и позитронов, которые в зависимости от их энергии и пробега в слоях достигают соответствующего детектирующего слоя (D) сцинтиллятора, преобразующего энергию заряженных частиц в световые сцинтилляции-отсчеты (N), регистрируемые ФЭУ.
i
Каждой энергии гамма-квантов Е и набору слоев ГСД фиксированной толщины будет соответствовать свой характерный набор отсчетов N.
Сигналы, вырабатываемые в детектирующих слоях, регистрируются индивидуальными регистраторами и суммирующем (от всех слоев) регистратором, а затем анализируются схемой совпадений для определения кратности регистрации гамма-квантов в детекторе, что позволяет осуществлять их дискриминацию по энергии.
Расчетное обоснование характеристик предлагаемого устройства было проверено методом Монте-Карло на примере нескольких вариантов измерительной системы с ГСД и однородным мононаправленным источником гамма квантов S(E), схема которой показана на фиг.1. На указанной расчетной схеме измерительной системы с ГСД (размеры в см.) предствлены:
i
k
3
K - конвертирующие слои из свинца (Рb, ρ=11,3 г/см) толщиной Δ,
i
0,99
c
3
D - детектирующие слои сцинтиллятора (СН, ρ=1,05 г/см) толщиной Δ, i=1, 2,…М.
(k)
пор
В расчетах определялись вероятности k-кратной регистрации γ-квантов в детектирующих слоях рассматриваемых моделей ГСД W(E) (с потерей энергии в них ε>ε) и на их основе - величин
где
D
W(E) - вероятность регистрации γ-квантов с энергией Е во всех детектирующих слоях, она может быть соотнесена со счетностью суммирующего регистратора детектора, к которому подведены световоды со всех детектирующих слоев;
i
W(E) - вероятность регистрации γ-квантов в i-ом детектирующем слое (i=1,2…М), она может быть соотнесена со счетностью i-ого регистратора, к которому подведены световоды только i-oro детектирующего слоя. При этом все счетности (М+1) регистраторов нормированы на один квант, падающий на входное окно детектора.
D
i
(k)
Величины W, W, W непосредственно связаны с результатами измерений:
D
W-со счетностью суммирующего регистратора,
i
W-со счетностью i-ого регистратора,
(k)
W - со счетностью анализирующей аппаратуры, определяющий кратность регистрации гамма квантов в детектирующих слоях детектора.
е гр
Расчеты проводились с учетом переноса γ-квантов и электронов (позитронов), а также образования аннигиляционного и тормозного излучений в рабочем теле детектора при граничной энергии электронов Е=0,03 МэВ.
(к)
D
Полученные в расчетах зависимости W(Е), W(E), (Е) для трех моделей ГСД с параметрами, приведенными в таблице 1, представлены на фиг.2-6.
Вариант ГСД-3 соответствует детектору, состоящему только из изолированных детектирующих слоев (без конверторов) с суммарной толщиной ~5 см.
пор
D
В результате было показано, что при пороговой величине поглощенной энергии в сенсорных слоях ε≥ε=0,1 МэВ эффективность регистрации γ-квантов в зависимости от конфигурации ГСД может составлять W≅(20-50)%, а средняя кратность их регистрации в слоях - К≅1-5.
Из анализа полученных данных следует, что одновременная регистрация сигналов с каждого детектирующего слоя и суммарно со всех слоев с использованием схемы совпадений и последующее определение кратности совпадений k=1, 2, 3… в каждом акте регистрации создают возможность дискриминации падающих на детектор γ-квантов по этому параметру и, следовательно, по их энергии. Это качество ГСД, отсутствующее у традиционных сцинтилляционных детекторов, используется в заявляемом устройстве для спектрального анализа падающих на него γ-квантов и, тем самым, для повышения отношения эффект/фон в выделенных энергетических интервалах.
Таким образом, изложенные сведения доказывают выполнимость при реализации заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- устройство (детектор), воплощающее заявленное техническое решение, предназначено для использования в разнообразных системах обнаружения и идентификации гамма-источников с целью улучшения их эксплуатационных характеристик при повышенном гамма-нейтронном фоне;
- для заявленного детектора в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
- детектор гамма-излучения, воплощенный в заявленном техническом решении, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию «промышленная применимость».
Гетерогенный сцинтилляционный детектор гамма-излучения с регулируемой спектральной чувствительностью
Таблица 1
Характеристики расчетных моделей ГСД
Вариант ГСД
Δ<sub>к</sub>, см
Δ<sub>с</sub>, см
М
ε<sub>пор</sub>, МэВ
ГСД-1
0,08
0,5
10
0,2
ГСД-2
0,08
0,5
15
0,2
ГСД-3
0,015, ρ=0
0,5
10
0,2