СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATION DETECTOR

Изобретение относится к области создания сегментированных детекторных модулей, регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников радиоактивных излучений, определения направления на них и их идентификации, может применяться в установках, предназначенных для обнаружения радиоактивных источников, делящихся веществ, в физических исследованиях.
Известен позиционно-чувствительный детектор нейтронов, состоящий из кварцевой трубы, заполненной жидким сцинтиллятором, состоит из кварцевого контейнера длиной 100 см прямоугольного сечения 11,5*6 см, заполненного жидким сцинтиллятором NE-213, и двух ФЭУ типа RCA 8854, расположенных по торцам контейнера. Nuclear Instruments and Methods 185 (1981), p.165-174. Недостатками этого устройства является соединение ФЭУ и кварцевого контейнера составом AV 138 и HV 998 (ФРГ). ФЭУ приклеены к торцам кварцевого контейнера. Соединение не является разборным и при выходе из строя одного из элементов конструкции (например, ФЭУ, стоимость которого высока - 2000$) детектор не пригоден к работе и нет возможности замены элементов конструкции.
Известен позиционно-чувствительный детектор нейтронов, состоящий из кварцевой трубы, заполненной жидким сцинтиллятором, и двух ФЭУ, расположенных по торцам устройства, помещенных в кожух, в котором ФЭУ имеют непосредственный контакт со сцинтиллятором. Между кварцевой трубой и ФЭУ установлено разборное уплотнение, выполненное с использованием двусторонних фланцев и стойкого к жидким углеводородам пластика, расположенного между фланцами, а расширительная камера, расположенная над кварцевой трубой, имеет тефлоновую заглушку с находящимся в ней уплотнением, а также клапан для сброса давления при расширении сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2087923, МПК: G01Т /204, 1997 г.
Известен сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, в котором преобразователи излучения расположены в точках пересечения трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами. Патент Российской Федерации на полезную модель №92970, G01T 1/20, 2010. Прототип.
Недостатком прототипа являются низкая эффективность регистрации быстрых нейтронов из-за отбраковки многократных актов рассеяния, произошедших с участием углерода; низкая эффективность регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов при работе в смешанных нейтрон-гамма-полях в связи с исключением из рассмотрения событий со временем между последовательными актами рассеяния меньше некоторого, определяемого техническим уровнем развития электроники (порядка 0, 1 нс); высокая стоимость электронных узлов детектора, обеспечивающих измерение временных интервалов между последовательными актами рассеяния регистрируемой частицы.
Данное изобретение устраняет указанные недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов при работе в смешанных нейтрон-гамма-радиационных полях, исключение сложной и дорогой электроники для разделения нейтронного сигнала и сигнала, вызванного гамма-квантами, и, следовательно, уменьшение стоимости детектора.
Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения, расположенных в точках пересечения трехмерной координатной сетки, с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, последовательно соединенные с соседними преобразователями с помощью скрещенных светопереизлучающих волокон, каждый преобразователь излучения оптически изолирован от соседних преобразователей излучения ячеистой структурой с отражающими свет стенками и отверстиями для расположения светопереизлучающих волокон, покрытых светоотражающим материалом, ячейки структуры заполнены жидким сцинтиллятором, а в корпусе детектора выполнено отверстие для заливки сцинтиллятора и установлен клапан для стравливания давления. Каждый слой ячеистой структуры состоит из двух частей с отверстиями, расположенными в месте их контакта, а светопереизлучающие волокна проложены через ребра ячеистой структуры в области геометрического центра преобразователей.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-5.
На фиг.1 схематично представлена сборка, состоящая из 3-х слоев ячеистой структуры детектора, установленных друг над другом, где 1 - нижняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 3 - верхняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 4 - светопереизлучающие волокна, 5 - светоотражающие слои, расположенные по обе стороны каждого слоя ячеистой структуры, 6 - отверстия для крепления светопереизлучающих волокон в рамке, 7 - рамка для крепления частей 1 и 3 ячеистой структуры и светопереизлучающих волокон. Слои устанавливаются в герметичный для жидкого сцинтиллятора и атмосферного воздуха корпус (на Фиг.1 не показан).
а
На фиг.2 схематично представлен слой ячеистой структуры детектора при внешнем расположении на нем светопереизлучающих волокон, где 1 - слой ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 4 - светопереизлучающие волокна.
б
На фиг.2 схематично представлен слой ячеистой структуры детектора, где 1 - нижняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 3 - верхняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 4 - светопереизлучающие волокна, 5 - светоотражающий слой, разделяющий смежные слои ячеистой структуры.
На фиг.3 частично представлена нижняя половина одного слоя, где 1 - нижняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 4 - светопереизлучающие волокна, 6 - отверстия для крепления светопереизлучающих волокон в рамке 7, 7 - рамка для фиксации положения верхней 1 и нижней 3 половин ячеистой структуры и светопереизлучающих волокон 4, 8 - пазы в рамке 7 для фиксации положения нижней 1 и верхней 3 половин одного слоя ячеистой структуры.
На фиг.4 схематично представлен вид сверху на рамку 7, служащую для крепления скрещенных спектросмещающих волокон 4 и фиксации положения нижней 1 и верхней 3 половин одного слоя ячеистой структуры, где 4 - светопереизлучающие волокна, 6 - отверстия для крепления светопереизлучающих волокон, 7 - рамка для крепления частей ячеистой структуры и светопереизлучающих волокон, 8 - пазы в корпусе для фиксации положения ячеистой структуры.
На фиг.5 представлены рассчитанные зависимости эффективности регистрации быстрых нейтронов различных энергий в диапазоне от 2 МэВ до 14 МэВ для различных органических сцинтилляторов: полистирола (ПС), ксилола и другого жидкого сцинтиллятора NE228 с относительным содержание водорода Н:С, равным 2:1.
Стенки ячеистой структуры выполнены из светоотражающего материала или покрыты им. Это увеличивает амплитуду регистрируемого сигнала. С целью увеличения сцинтилляционного сигнала за счет лучшего светосбора фотонов, возникших в жидком сцинтилляторе, светопереизлучающие волокна 4 расположены по диагоналям ячеек в области их геометрического центра. Такое расположение светопереизлучающих волокон 4 приводит к увеличению амплитуды регистрируемого сигнала почти в 3 раза. В корпусе из материла непроницаемого для света детектор собирают послойно.
Каждый слой состоит из двух частей ячеистой структуры 1 и 3, закрепленных в рамке 7 со спектросмещающими волокнами 4, и двух слоев светоотражающего слоя 5, расположенных по обе стороны от собранной ячеистой структуры. Для фиксации половин слоев ячеистой структуры 1 и 3 одного слоя ячеистой структуры и крепления светопереизлучающих волокон 4 в рамке 7 выполнены отверстия 6 и пазы 8. Количество слоев, количество ячеек в каждом слое и их размер определяются техническими требованиями к детектору. Слои ячеистой структуры устанавливают в корпус детектора (на фигурах не показан), который служит в качестве направляющих для каждого слоя детектора при его сборке, фиксирует положение слоев и является емкостью для жидкого сцинтиллятора. В корпусе выполнено отверстие для заливки сцинтиллятора и клапан для стравливания излишнего давления. Корпус герметичен по отношению к окружающей атмосфере для предотвращения окисления сцинтиллятора, приводящего к ухудшению его сцинтилляционный свойств. В зависимости от вязкости жидкого сцинтиллятора его заливают в корпус послойно после установки нижней 1 и верхней 3 половин одного слоя до установки светоотражающего слоя 5 или после установки в корпус всех слоев детектора. В последнем случае жидкий сцинтиллятор проникает в ячейки детектора через отверстия 2 в ребрах ячеистой структуры. При возникновении сцинтилляционной вспышки в жидком сцинтилляторе одной из ячеек фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих волокна 4, где переизлучаются и распространяются по светопереизлучающим волокнам 4 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего слоя 5. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих волокон 4, регистрируют фотодетекторами (на фигурах не указаны), в качестве которых использованы двухкоординатные ФЭУ или полупроводниковые фотодиоды. Положение ячейки, в которой произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам светопереизлучающих волокон 4 (фотодетекторов), на которых сигнал появился практически одновременно.
Точность определения направления на источник и спектральное разрешение детектора зависят от пространственного разрешения детектора и растут с уменьшением размера его ячейки. Расчеты показали, что для детектора размером 24×24×24 см и при размере ячейки 1×1×1 см точность определения направления на источник нейтронов спектра деления и спектральное разрешение составляют соответственно около 12° и 30%, а эффективность регистрации нейтронов с разделением сигналов превышает 10%. В отличие от пластмассового сцинтиллятора в жидком сцинтилляторе наблюдают различие в длительности заднего фронта импульса для нейтрона и гамма-кванта. Это позволяет использовать метод разделения по форме сцинтилляционного импульса, повышает эффективность регистрации из-за отсутствия необходимости в отбраковке регистрируемых событий по причине технических ограничений на точность измерения временных интервалов между последовательными актами рассеяния регистрируемой частицы. Кроме того, среди жидких сцинтилляторов существуют вещества (например, NE228), в которых относительное содержание водорода вдвое превосходит содержание водорода в пластмассе. Это приводит к увеличению эффективности регистрации быстрых нейтронов и при низкой эффективности светосбора.