КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТОВЫХОДА СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ СТРИПОВ
COMPLEX FOR MEASURING THE LIGHT YIELD OF SCINTILLATION STRIPS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к сцинтилляционным детекторам ионизирующего излучения, и может быть использовано для тестирования и исследования характеристик тонких сцинтилляционных полосок (стрипов) перед их установкой в координатно-трековые детектирующие системы, в том числе в мюонные годоскопы.
Уровень техники
Координатно-трековые детекторы получили широкое применение при решении задач в различных областях физики (ядерная физика, физика частиц, космо- и астрофизика и т.д.). Отдельным подклассом являются координатно-трековые детекторы на основе пластиковых сцинтилляторов.
Как правило, координатно-трековые сцинтилляционные детекторы изготавливаются на основе узких тонких сцинтилляционных полос (стрипов), уложенных в одну плоскость, часто называемую координатным слоем. В случае прохождения через такой слой заряженной элементарной частицы в соответствующем стрипе генерируется сцинтилляционная вспышка, которая регистрируется фотоприемником. Таким образом, по срабатыванию фотоприемника определяется номер сработавшего стрипа, который пересчитывается в координату. Если в приборе чередуются координатные слои с взаимно перпендикулярным расположением сцинтилляционных стрипов, то можно восстановить трек заряженной частицы.
В последнее время для проведения различных прикладных исследований в области мюонной диагностики крупномасштабных объектов и природных явлений используют сцинтилляционные мюонные годоскопы, состоящие из большого числа координатных слоев и тысяч сцинтилляционных стрипов.
Стрипы для координатно-трековых детекторов изготавливаются из пластика с добавлением сцинтиллирующих веществ. Светосбор осуществляется с торца стрипа, поэтому амплитуда снимаемого сигнала сильно зависит от расстояния между фотоприемником и местом прохождения частицы. Кроме того, величина сигнала зависит от оптических свойств пластика. Для улучшения светосбора часто используют спектросмещающие оптические волокна, которые вклеивают в стрип по всей его длине, кроме этого сцинтилляционные стрипы покрывают различными светоотражающими красками.
Поскольку оптические свойства пластика, качество клея, оптоволокна и краски могут значительно меняться от партии к партии, необходимо проводить тестирование сцинтилляционных стрипов с целью определения параметров их откликов на заряженные частицы.
В примере реализации изобретения из патента RU 2461903 20.09.2012 описано устройство для калибровки мюонных годоскопов, состоящее из двух горизонтальных координатных детекторов, контроллера, схемы совпадения и компьютера. Калибруемый годоскоп помещается между двумя параллельными горизонтальными координатными детекторами. Выходы со всех слоев мюонного годоскопа соединяются с входами контроллера. Выходы обоих координатных детекторов соединяются с входами схемы совпадений. Выход схемы совпадений соединен с этим же контроллером. При пролете мюона через координатные детекторы происходит срабатывание схемы совпадения, сигнал от которой передается на контроллер. Когда на контроллер приходит сигнал от схемы совпадения, он считывает координаты прошедшего мюона со всех слоев годоскопа. Контроллер передает на компьютер информацию о треке мюона, прошедшего через координатные детекторы и соответствующую информацию с годоскопа. На компьютере производится оценка эффективности срабатывания отдельных каналов годоскопа, а также строятся пространственно-угловые распределения потока мюонов, прошедших через координатные плоскости, и сравниваются с распределениями, полученными от мюонного годоскопа.
Основным недостатком описанного устройства является тот факт, что оно калибрует стрипы годоскопа после его сборки и в случае обнаружения в составе годоскопа некачественных стрипов появляется необходимость их демонтажа из уже собранного прибора.
Из патента на изобретение RU 2664928 23.08.2018 известно устройство контроля параметров сцинтилляционного детектора. Устройство состоит из двух вспомогательных детекторов частиц, схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса, схемы совпадений, контроллера и компьютера. Тестируемый сцинтилляционный детектор, состоящий из сцинтиллятора и фотоприемника, размещен между вспомогательными детекторами частиц. При этом имеется возможность перемещения вспомогательных детекторов вдоль координатной оси. Выход сцинтилляционного детектора с фотоприемника соединен с входом схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса. Вспомогательные детекторы соединены через схему совпадений со вторым из входов схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса. Выход схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса соединен через контроллер с компьютером. Устройство работает следующим образом. При пролете мюона через вспомогательные детекторы и сцинтилляционный детектор сигнал с выхода фотоприемника поступает на схему измерения и оцифровки амплитуды импульса, как и от схемы совпадения. Оцифрованное значение амплитуды сигнала сцинтилляционного детектора через контроллер поступает на компьютер. Недостатком этого устройства является использование в качестве источника релятивистских частиц (атмосферных мюонов), такое устройство имеет малую скорость набора статистики и требует длительного времени для проведения измерений
Из статей Н.В. Ампилогова и др. «Применение мюонного годоскопа УРАГАН для калибровки детекторов заряженных частиц», Известия РАН. Серия физическая, 2015, Т. 79, №3., С. 420-422 и О.И. Ликий и др. «Исследование характеристик сцинтилляционных детекторов установки НЕВОД-ШАЛ», Приборы и техника эксперимента. 2016. №6. С. 5-13 известно устройство для исследования характеристик детекторов заряженных частиц. Устройство состоит из мюонного годоскопа, контроллера, блока анализа разверток сигналов и электронной вычислительной машины. Плоскости годоскопа соединены с контроллером, выход контроллера соединен с электронной вычислительной машиной. Блок анализа разверток сигналов также соединен с электронной вычислительной машиной. Кроме этого, от контроллера к блоку анализа разверток сигналов идет линия синхронизации. Исследуемый детектор заряженных частиц устанавливается на мюонный годоскоп и подключается к блоку анализа разверток сигналов. Атмосферный мюон проходит сначала через тестируемый детектор, а потом через годоскоп. При этом контроллер передает синхросигнал на блок анализа разверток сигналов, при получении которого блок анализа разверток сигналов передает оцифрованную развертку на электронную вычислительную машину. Контроллер в это время также передает данные на электронную вычислительную машину, по данным годоскопа электронная вычислительная машина реконструирует трек мюона и рассчитывает точку, в которой мюон пересекает тестируемый детектор. Измерения повторяются много раз, в результате чего формируется зависимость отклика тестируемого детектора заряженных частиц от координат прохождения частицы. Недостатком данного устройства является низкая скорость проводимых измерений, поскольку через один квадратный сантиметр атмосферные мюоны проходят примерно один раз в две минуты. Таким образом, на проведение полного исследования детектора необходимо 2-3 дня.
241
241
В патенте на изобретение RU 2647222, 14.03.2018 описано устройство для контроля выхода сцинтилляций и фотолюминесценции порошкообразных сцинтилляторов и люминофоров, состоящее из источника альфа-частиц Am, проволочного каркаса для крепления образца и альфа-источника, фотоумножителя, спектрометрического усилителя, многоканального амплитудного анализатора и тефлонового светоотражателя. Тестируемый образец порошкообразного сцинтиллятора или люминофора крепится на проволочном каркасе, напротив него закреплен источник альфа-частиц. Каркас накрывается тефлоновым светоотражателем, объем которого просматривается фотоэлектронным умножителем, выход фотоэлектронного умножителя соединен с входом спектрометрического усилителя, выход спектрометрического усилителя соединен с входом многоканального амплитудного анализатора. Испущенная изотопом Am альфа-частица с энергией 5.5 МэВ попадает в тестируемый образец сцинтиллятора, вызывая в нем свечение, фотоны вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем, сигналы которого усиливаются спектрометрическим усилителем и обрабатываются многоканальным амплитудным анализатором. Данное устройство обладает двумя недостатками: во-первых, оно предназначено для тестирования проб порошкообразных сцинтилляторов и люминофоров размерами несколько сантиметров и в предложенном виде не может использоваться для тестирования сцинтилляционных стрипов длиной в несколько метров, во-вторых, в предложенном устройстве при измерении используются тяжелые нерелятивистские альфа-частицы, воздействие которых на сцинтиллятор отличается от воздействия легких релятивистских мюонов и электронов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявленному изобретению является устройство, описанное в статье А.И. Терегулова «Стенд для тестирования сцинтилляционных стрипов», Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 277-286. Устройство состоит из светоизолированного бокса, фотоприемника оптических сигналов сцинтилляционного стрипа, двухканального блока анализа разверток сигналов, электронной вычислительной машины, схемы совпадения, устройства позиционирования и мюонного телескопа, состоящего из двух небольших сцинтилляционных счетчиков. Тестируемый сцинтилляционный стрип закрепляется внутри светоизолированного бокса, торец стрипа соприкасается с фотоприемником оптических сигналов сцинтилляционного стрипа, выход которого соединен с первым входом двухканального блока анализа разверток сигналов, который шиной данных соединен с электронной вычислительной машиной. На установленном внутри бокса устройстве позиционирования мюонного телескопа закреплен мюонный телескоп. Устройство позиционирования мюонного телескопа позволяет вручную перемещать мюонный телескоп вдоль тестируемого сцинтилляционного стрипа. Выходы сцинтилляционных счетчиков, входящих в состав мюонного телескопа, соединены со схемой совпадения, выход которой подключен ко второму входу двухканального блока анализа разверток сигналов. Мюонный телескоп расположен над тестируемым стрипом, околовертикальный атмосферный мюон пересекает сначала сцинтилляционные счетчики, а затем тестируемый сцинтилляционный стрип. Сигналы со счетчиков мюонного телескопа поступают на схему совпадений, которая вырабатывает синхросигнал, который приходит на второй вход двухканального блока анализа разверток сигналов. При прохождении мюона через тестируемый сцинтилляционный стрип генерируется сцинтилляционная вспышка, фотоны которой попадают на фотоприемник оптических сигналов сцинтилляционного стрипа, сигнал с фотоприемника поступает на первый вход двухканального блока анализа разверток сигналов. При многократном повторении измерений формируется гистограмма откликов, после обработки которой рассчитывается среднее значение отклика тестируемого сцинтилляционного стрипа на мюон с известными координатами. Далее при помощи устройства позиционирования мюонного телескопа изменяется положение мюонного телескопа и цикл измерений повторяется. Недостатком прототипа является длительное время измерений, поскольку мюонный телескоп позволяет выделять из потока атмосферных мюонов всего несколько частиц в минуту, таким образом для полного измерения световыхода сцинтилляционного стрипа прототипу требуется более суток.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат изобретения заключается в многократном сокращении времени измерения световыхода сцинтилляционного стрипа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что комплекс для измерения световыхода сцинтилляционных стрипов, содержащий двухканальный блок анализа разверток сигналов, электронную вычислительную машину и светоизолированный бокс для размещения тестируемого сцинтилляционного стрипа, внутри которого закреплено устройство позиционирования источника частиц и установлен фотоприемник оптических сигналов сцинтилляционного стрипа, выход фотоприемника оптических сигналов сцинтилляционного стрипа подключен к первому входу двухканального блока анализа разверток сигналов, который соединен с электронной вычислительной машиной шиной передачи данных, в состав комплекса введен источник электронов фиксированной энергии, установленный на устройстве позиционирования источника частиц, причем устройство позиционирования источника частиц дополнительно оснащено электроприводом и контроллером для автоматизации управления положением источника частиц, при этом электропривод находится в функциональной связи с контроллером, который соединен с электронной вычислительной машиной, выход источника электронов фиксированной энергии подключен ко второму входу двухканального блока анализа разверток сигналов, при этом источник электронов фиксированной энергии состоит из корпуса, внутри которого закреплены бета-эмиттер, отклоняющий магнит, сцинтилляционное оптоволокно и триггирующий фотоприемник, в нижней части корпуса источника электронов фиксированной энергии имеется коллимирующее отверстие, сцинтилляционное оптоволокно закреплено над коллимирующим отверстием и торец сцинтилляционного оптоволокна находится в оптическом контакте с триггирующим фотоприемником.
90
В частном случае в качестве бета-эмиттера используется изотоп Sr.
90
В другом частном случае в качестве бета-эмиттера используется изотоп Y.
137
Еще в одном частном случае в качестве бета-эмиттера используется изотоп Cs.
В частном случае в качестве фотоприемника оптических сигналов сцинтилляционного стрипа используется вакуумный фотоэлектронный умножитель.
В другом частном случае в качестве фотоприемника оптических сигналов сцинтилляционного стрипа используется кремниевый фотоэлектронный умножитель.
В частном случае в качестве триггирующего фотоприемника используется вакуумный фотоэлектронный умножитель.
В другом частном случае в качестве триггирующего фотоприемника используется кремниевый фотоэлектронный умножитель.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана принципиальная схема комплекса для измерения световыхода сцинтилляционных стрипов. Цифрами на Фиг. 1 обозначены:
1 - светоизолированный бокс;
2 - тестируемый сцинтилляционный стрип;
3 - фотоприемник оптических сигналов сцинтилляционного стрипа;
4 - двухканальный блок анализа разверток сигналов;
5 - электронная вычислительная машина;
6 - источник электронов фиксированной энергии;
7 - устройство позиционирования источника частиц;
8 - электропривод;
9 - контроллер.
На Фиг. 2 раскрыта принципиальная схема источника электронов фиксированной энергии (позиция 6 на Фиг. 1). Цифрами на Фиг. 2 обозначены:
10 - корпус источника электронов фиксированной энергии;
11 - коллимирующее отверстие;
12 - бета-эмиттер;
13 - отклоняющий магнит;
14 - сцинтилляционное оптоволокно;
15 - триггирующий фотоприемник.
Осуществление изобретения
Как показано на Фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением комплекс для измерения световыхода сцинтилляционных стрипов содержит светоизолированный бокс 1, внутри которого помещен тестируемый сцинтилляционный стрип 2, к торцу тестируемого сцинтилляционного стрипа 2 прислонен фотоприемник оптических сигналов сцинтилляционного стрипа 3, выход которого подключен к первому входу двухканального блока анализа разверток сигналов 4. Двухканальный блок анализа разверток сигналов 4 соединен с электронной вычислительной машиной 5 шиной передачи данных. Внутри светоизолированного бокса 1 закреплено устройство позиционирования источника частиц 7, оснащенное электроприводом 8 и контроллером 9 для автоматизации управления положением источника частиц, контроллер 8 находится в функциональной связи с контроллером 9, который соединен с электронной вычислительной машиной 5. На устройство позиционирования источника частиц 7 установлен источник электронов фиксированной энергии 6, подключенный ко второму входу двухканального блока анализа разверток сигналов 4. Как показано на Фиг. 2, источник электронов фиксированной энергии 6 состоит из корпуса источника электронов фиксированной энергии 10, в нижней части которого имеется коллимирующее отверстие 11, внутри корпуса источника электронов фиксированной энергии 10 закреплены бета-эмиттер 12, отклоняющий магнит 13, сцинтилляционное оптоволокно 14 и триггирующий фотоприемник 15. Сцинтилляционное оптоволокно 14 закреплено над коллимирующим отверстием 11, торец сцинтилляционного оптоволокна 14 находится в оптическом контакте с триггирующим фотоприемником 15. Выход триггирующего фотоприемника 15 является выходом источника электронов фиксированной энергии 6.
Пример конкретной реализации изобретения. Тестируемый сцинтилляционный стрип 2 длиной 3000 мм, шириной 10 мм и толщиной 7 мм размещается внутри светоизолированного бокса 1, который имеет длину 4000 мм, ширину 400 мм и высоту 400 мм и изготовлен из 12-миллиметровой фанеры, окрашенной черной краской для улучшения светоизоляции. Торец тестируемого сцинтилляционного стрипа 2 прижимается к фотоприемнику оптических сигналов сцинтилляционного стрипа 3, в данном случае фотоприемником оптических сигналов сцинтилляционного стрипа 3 является вакуумный фотоумножитель ФЭУ-115М. Анодный выход фотоумножителя с помощью коаксиального кабеля соединен с первым входом двухканального блока анализа разверток сигналов 4. Для сохранения светоизоляции коаксиальный кабель входит в стенку светоизолированного бокса через кабельный ввод. В качестве двухканального блока анализа разверток сигналов 4 в данном случае используется двухканальный цифровой осциллограф со сканирующим АЦП, имеющий частоту дискретизации 2.5 Гвыборки/с, что позволяет с хорошей точностью измерять форму сигналов фотоумножителя. Двухканальный блок анализа разверток сигналов 4 соединен с электронной вычислительной машиной 5, в качестве которой в данном случае используется персональный компьютер. Цифровой осциллограф и персональный компьютер соединены друг с другом шиной USB.
С внутренней стороны светоизолированного бокса 1 вдоль одной из его длинных стенок закреплено устройство позиционирования источника частиц 7, к которому прикреплен источник электронов фиксированной энергии 6. В данном случае устройство позиционирования источника частиц 7 является однокоординатным и представляет собой направляющую, по которой может перемещаться каретка с привинченным к ней источником электронов фиксированной энергии 6. Каретка снабжена электроприводом 8, изготовленным в данном случае на основе шагового двигателя. Положение каретки управляется с помощью контроллера 9, соединенного с персональным компьютером 5 при помощи шины USB.
90
2
В данном случае источник электронов фиксированной энергии 6 имеет длину 120 мм, ширину и высоту по 60 мм. Корпус источника электронов фиксированной энергии 10 изготовлен из алюминия толщиной 5 мм. Такая толщина корпуса достаточна для того, чтобы защитить операторов комплекса от бета-лучей. Внутри корпуса источника электронов фиксированной энергии 10 закреплен бета-эмиттер 12. В данном случае в качестве бета-эмиттера используется изотоп Sr активностью 200 Бк. Также внутри корпуса источника электронов фиксированной энергии 10 закреплен отклоняющий магнит 13, направляющий часть испускаемых бета-эмиттером электронов с определенной энергией в коллимирующее сквозное отверстие 11, расположенное в нижней части корпуса источника электронов фиксированной энергии 10 и имеющее размеры 2x2 мм. В данном случае в качестве отклоняющего магнита 13 используется постоянный ферритовый магнит. Над коллимирующим отверстием 11 закреплено сцинтилляционное оптоволокно 14, имеющее в данном случае диаметр 2 мм. Торец сцинтилляционного оптоволокна 14 контактирует с триггирующим фотоприемником 15. В данном случае в качестве триггирующего фотоприемника 15 используется кремниевый фотоэлектронный умножитель с размерами фотокатода 3x3 мм; для обеспечения оптического контакта торец сцинтилляционного оптоволокна 14 предварительно зашлифован. Выход триггирующего фотоприемника 15 с помощью коаксиального кабеля соединен со вторым входом двухканального блока анализа разверток сигналов 4. Для сохранения светоизоляции коаксиальный кабель проходит через стенку светоизолированного бокса 1 через кабельный ввод.
Комплекс работает следующим образом. После того, как тестируемый сцинтилляционный стрип 2 установлен, светоизолированный бокс 1 закрывается и на фотоприемники 3 и 15 подается питание. Электронная вычислительная машина 5 устанавливает режим измерения двухканального блока анализа разверток сигналов 4 «синхронизация по второму входу», а также передает команду контроллеру 9, который с помощью электропривода 8 перемещает каретку с источником электронов фиксированной энергии 6 в противоположный от фотоприемника оптических сигналов конец сцинтилляционного стрипа 3.
В бета-эмиттере 12 происходит реакция бета-распада ядра стронция-90, в результате которой образуется ядро иттрия-90 и испускается электрон. Максимально возможная энергия электрона от бета-распада стронция-90 не превышает 0.54 МэВ и этот электрон направляется отклоняющим магнитом 13 в стенку корпуса источника электронов фиксированной энергии 10. Ядро иттрия-90 имеет период полураспада 64 часа (значительно меньше, чем у родительского ядра стронция-90, период полураспада которого составляет 28.8 лет), поэтому в бета-эмиттере, содержащем стронций-90 постоянно идут бета-распады образующихся ядер иттрия-90. В результате бета-распада ядер иттрия-90 образуются электроны с энергией до 2.28 МэВ. Большая часть этих электронов отклоняется магнитом 13 и они попадают в стенку корпуса источника электронов фиксированной энергии 10. Однако часть испущенных иттрием-90 электронов направляются отклоняющим магнитом 13 в коллимирующее отверстие 11, пересекая при этом сцинтилляционное оптоволокно 14. Геометрия расположения бета-эмиттера 12, отклоняющего магнита 13 и коллимирующего отверстия 11 подобраны таким образом, что наружу из источника электронов фиксированной энергии 6 вылетают электроны с энергией 1.8±0.1 МэВ. При пересечении электронами сцинтилляционного оптоволокна 14 в нем генерируются фотоны, которые по сцинтилляционному оптоволокну 14 попадают на фотокатод триггирующего фотоприемника 15. В результате на аноде триггирующего фотоприемника 15 появляется сигнал, который по коаксиальному кабелю поступает на второй вход двухканального блока анализа разверток сигналов 4.
Вышедший из источника электронов фиксированной энергии 6 электрон попадает на тестируемый сцинтилляционный стрип 2, вызывая в нем сцинтилляционную вспышку, фотоны которой попадают на фотоприемник оптических сигналов сцинтилляционного стрипа 3, в результате чего на его аноде формируется сигнал, который по кабелю поступает на первый вход двухканального блока анализа разверток сигналов 4.
Сигнал с фотоприемника оптических сигналов сцинтилляционного стрипа 3 и сигнал с триггирующего фотоприемника 15 поступают на двухканальный блок анализа разверток сигналов 4 с разницей по времени 10-20 нс. После появления сигнала на втором входе двухканальный блок анализа разверток сигналов 4 по интерфейсу USB передает оцифрованную развертку электронной вычислительной машине 5, где сохраняется амплитуда и заряд сигнала, зарегистрированного от тестируемого сцинтилляционного стрипа 2 при данном положении источника электронов фиксированной энергии. После завершения обработки события электронная вычислительная машина 5 отправляет на двухканальный блок анализа разверток сигналов 4 команду о начале нового измерения.
В данном случае при одном и том же положении источника электронов фиксированной энергии измерения повторяются не менее 1000 раз и занимают по времени около 1 минуты. В результате в электронной вычислительной машине 5 набираются амплитудная и зарядовая гистограммы, после обработки которых появляются данные о средней амплитуде и среднем заряде отклика тестируемого сцинтилляционного стрипа при данном положении источника электронов фиксированной энергии 6. После этого электронная вычислительная машина 5 по шине данных USB передает команду контроллеру 9, который при помощи электропривода 8 перемещает каретку с закрепленным на ней источником электронов фиксированной энергии 6 в новое положение и цикл измерений повторяется.
При длине стрипа 3000 мм и измерении световыхода через каждые 500 мм измерения занимают порядка 10 минут.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет проводить измерение световыхода сцинтилляционного стрипа за меньшее по сравнению с прототипом время, и тем самым увеличивает производительность при создании координатно-трековых детектирующих систем, в том числе мюонных годоскопов.