ДЕТЕКТОР ГОДОСКОПА
HODOSCOPE

Изобретение относится к области создания сцинтилляционных детекторов и регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников излучений различного происхождения, определения направления на них и их идентификации. Может применяться для измерения спектра быстрых нейтронов, в установках, предназначенных для обнаружения радиоактивных источников, делящихся веществ и в физических исследованиях.
Известен детектор излучений, содержащий слои водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами, и фотоприемники. Детектор содержит элементы, регистрирующие быстрые нейтроны, регистрирующие тепловые нейтроны, регистрирующие гамма-излучение, по слою, выполненному из полиэтилена, по одному слою, выполненному из свинцовой фольги, слои выполнены автономно с возможностью перемещения и изменения последовательности их расположения друг за другом, электрические связи выполнены в виде шлейфовых соединений, сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней, расположенных в одной плоскости, с возможностью изменения расстояния между ними, по крайней мере, на одной грани каждого стержня выполнен паз, в котором размещено спектросмещающее сцинтиллирующее волокно, на торцах волокон расположены фотодиоды (патент Российской Федерации №2319176, G01T 1/20, 2006).
Известен детектор годоскопа, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, отличающийся тем, что сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде покрытых светоотражающей оболочкой стержней с прямоугольным сечением a·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k-b - по высоте, n·а - по ширине и длиной m·а, где а - ширина стержня пакета, b - высота стержня пакета, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек (патент Российской Федерации №2308742, G01T 3/06, G01T 1/20, 2006).
Известен сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники. 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, причем преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами (патент Российской Федерации №92970, МПК: G01T 1/20, 2006 г.). По существу этот детектор является детектором годоскопа. Прототип.
Недостатками аналогов и прототипа являются: ограниченные функциональные возможности, обусловленные пространственной анизотропией свойств и недостаточной степенью сегментирования, относительная высокая стоимость, зависящая от количества сцинтиллирующих оптических элементов и пластин, применение сцинтиллирующих оптических элементов из нескольких материалов, относительно небольшая эффективность регистрации ионизирующих излучений, обусловленная относительно низким коэффициентом светосбора сцинтилляционных фотонов спектросмещающими волокнами.
Данное изобретение устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом изобретения является увеличение функциональных возможностей сегментированного детектора, уменьшение стоимости за счет применения не сцинтиллирующих материалов, обеспечивающих изменение спектра излучения или его преобразование в другой вид излучения, уменьшение зависимости чувствительности детектора от его расположения по отношению к источнику излучения, увеличение светосбора сцинтилляционных фотонов светопереизлучающим волокном за счет диагонального соединения волокна с преобразователем излучения, возможность использования сцинтиллирующих элементов, изготовленных из одного и того же материала, обеспечивающая их взаимозаменяемость, для регистрации нейтронного и гамма-излучений.
Технический результат достигается тем, что детектор годоскопа, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон, покрытых светоотражающим и светозащитным материалами, и фотоприемники, преобразователи излучения выполнены в виде правильных объемных фигур, расположенных послойно рядами в параллельных плоскостях, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения двумя светопереизлучающими волокнами по диагоналям противоположных граней правильной объемной фигуры в перекрещивающихся направлениях, причем светопереизлучающие волокна установлены с контактом в канавках смежных рядов преобразователей излучения, а преобразователи излучения установлены с промежутками между ними, заполненными материалами, изменяющими спектр излучения или преобразующими излучение в другой вид.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5.
На фиг.1 представлен вариант сцинтилляционного детектора годоскопа, содержащий восемь преобразователей излучения 2, окруженных водородосодержащим материалом 1. Преобразователи излучения 2 выполнены в виде кубов.
На фиг.2 представлен вариант сцинтилляционного детектора годоскопа, содержащий восемь сборок 3 преобразователей излучения 2, окруженных водородосодержащим материалом 1. Каждая сборка содержит по восемь преобразователей излучений 2.
На фиг.3 представлен преобразователь излучения 1, на поверхности которого расположен материал 4, предназначенный либо для захвата тепловых нейтронов, либо для преобразования гамма-излучения в электроны.
На Фиг.4 показана сборка 3 преобразователей излучения 2, содержащая светопереизлучающие волокна 5, причем светопереизлучающие волокна 5 на границе смежных плоскостей расположены в канавках 6. Линейное светопереизлучающее волокно 5 каждого предыдущего ряда преобразователей излучения 2 является верхним линейным светопереизлучающим волокном 5 следующего ряда преобразователей излучения 2. Светопереизлучающие волокна 5 расположены в параллельных плоскостях, причем в одной плоскости вдоль одной диагонали преобразователя излучения 2, а с другой плоскости по диагонали, перпендикулярной верхней диагонали.
На Фиг.5 показаны рассчитанные пространственные распределения сигналов, вызванные в преобразователях излучения 2 тепловыми (7 и 8) и быстрыми (9 и 10) нейтронами в зависимости от расстояния Х между преобразователем излучения 2 и облучаемой поверхностью, где 7 и 8 - нормированный сигнал, возникающий в преобразователях излучения 2, регистрирующих тепловые нейтроны, 9 и 10 - нормированный сигнал, возникающий в преобразователях излучения 2, регистрирующих быстрые нейтроны.
Кривые 7 и 10 - для нейтронов спектра деления, при регистрации тепловых нейтронов.
Кривые 8 и 9 - для нейтронов, излучаемых Pu-Ве источником.
Расчеты проведены для кубического элемента детектора с размером стороны 24 см в предположении малого влияния преобразователей излучений 2 на пространственные распределения.
Рассмотрим работу устройства. Преобразователи излучения 2 выполнены в виде кубиков и не имеют оптического контакта между собой. Каждый преобразователь излучения 2 имеет контакт с двумя скрещивающимися во взаимно перпендикулярных направлениях светопереизлучающими волокнами 5. При возникновении сцинтилляционной вспышки в каком-либо преобразователе излучения 2 фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих волокна 5, где переизлучаются и распространяются по светопереизлучающим волокнам 5 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего материала. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих волокон 5, регистрируют фотодетекторами (на фигурах не показаны). Положение преобразователя излучения 2, в котором произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам фотодетекторов, на которых сигнал появился практически одновременно.
Преобразователи излучения 2 покрыты светоотражающим материалом для увеличения количества фотонов, попадающих в светопереизлучающие волокна 5, и светозащитным материалом, чтобы свет не попал в соседние преобразователи излучения 2 и соответствующие им светопереизлучающие волокна 5.
Светопереизлучающие волокна 5 выполнены из пластмассового сцинтиллятора со спектросмещающими добавками, покрыты оболочкой из прозрачного материала, обычно из полиметилметакрилата, с коэффициентом преломления меньшим, чем пластмассовый сцинтиллятор, для увеличения количества фотонов, транспортируемых к фотодетекторам (на фигурах не показаны).
В качестве фотодетекторов используют двухкоординатные ФЭУ или фотодиоды. В случае фотодиодов для уменьшения влияния их собственных шумов фотодиоды попарно включают по схеме совпадений.
Преобразователи излучения 2 выполняют из различных материалов, что позволяет регистрировать любой вид излучения.
Тип преобразователей излучения 1, их количество, размер, форма и расстояние между ними определяют исходя из требований к системе регистрации. Ограничения на указанные параметры накладывают эффективность сбора света с преобразователя излучения 2 на светопереизлучающее волокно 5 и длина затухания света в светопереизлучающих волокнах, которая достигает нескольких метров. Оптимальный размер преобразователя излучения 2 обычно составляет от 0,5 см до 2 см.
Для уменьшения числа каналов регистрации, в том числе, количества фотодетекторов преобразователи излучений 2 расположены на расстоянии друг от друга. При этом для получения дополнительной информации об излучении или повышения эффективности регистрации путем изменения спектра излучения или его преобразования в другой вид излучения промежутки между преобразователями излучения 2 заполняют одним или несколькими материалами.
При прямой регистрации быстрых нейтронов преобразователи излучения 2 изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы. Детектор годоскопа позволяет измерять спектр быстрых нейтронов по пространственному распределению сигнала, возникающего в преобразователях излучений 2, находящихся на разных расстояниях от облучаемой поверхности (кривые 9 и 10, Фиг.5).
При регистрации быстрых нейтронов путем их замедления и регистрации замедлившихся (тепловых) нейтронов преобразователи излучения 2 изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора-10 или лития-6, или из кристаллов Li6I, а промежутки между преобразователями излучения 2 заполняют водородосодержащим веществом, например, полиэтиленом, который эффективно замедляет быстрые нейтроны. Пространственное распределение сигнала, вызываемого тепловыми нейтронами, и положение его максимума (кривые 7 и 8, Фиг.5) зависят и от спектра падающих быстрых нейтронов. Чем меньше средняя энергия нейтронного спектра, тем ближе к облучаемой поверхности находится положение максимума сигнала тепловых нейтронов, образовавшихся в детекторе годоскопа в результате замедления быстрых нейтронов водородосодержащим материалом.
При регистрации гамма-излучения поверхность преобразователя излучения 2 покрывают свинцовой фольгой толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров, которая преобразует гамма-излучение в более эффективно регистрируемые менее жесткое электромагнитное излучение и электроны.
Для оценки фоновых условий измерения или при измерении спектра быстрых нейтронов некоторые преобразователи излучения 2 покрывают материалом 4, поглощающим тепловые нейтроны: кадмием, гадолинием, соединениями бора-10 или лития-6.