Способ позиционирования сцинтилляционных ячеек в сегментированных детекторах и устройство для его осуществления
METHOD FOR POSITIONING SCINTILLATION CELLS IN SEGMENTED DETECTORS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Уровень техники
Изобретение относится к области техники детектирования ионизирующего излучения при помощи сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей (детекторов) и может быть применено в различных ее отраслях
- в медицинской технике;
- в системах для дистанционного досмотра;
- в физике высоких энергий, например, в сцинтилляционных детекторах для экспериментов на ускорителях на встречных пучках и на линейных ускорителях.
В настоящее время большое распространение получили сцинтилляционные детекторы на основе отдельных сцинтилляционных ячеек (пикселей), собранных в модули. Каждая сцинтилляционная ячейка имеет на одной из поверхностей сферическую лунку для сбора света и выведения его в сторону фотоприемника Сцинтилляционные ячейки отделяются друг от друга посредством непрозрачных материалов, окружающих наружные поверхности, что препятствует свету, производимому в каждой из них попадать в соседние ячейки. Такие детекторы позволяют повысить энергетическое, временное и пространственное разрешение, чувствительность детекторов. Сборка детекторных модулей осуществляется из отдельных сцинтилляционных ячеек, как правило, квадратной формы со стороной квадрата 20-30 мм и толщиной 3-5 мм, с нанесенным отражающим покрытием из специальной краски или обернутых светоотражающим материалом, путем поэлементного совмещения ячеек с парными им кремниевыми фотоприемниками.
Технические характеристики сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей существенно зависят от многих параметров, в том числе и от того, как точно сцинтилляционные ячейки с лунками и элементы сбора излученного света (фотоприемники) собраны в детекторе.
Обеспечение оптимального положения сцинтилляционной ячейки и фотоприемника повышает количество собранного света и увеличивает чувствительность регистрирующей системы и улучшение параметров таких детекторов.
Работы по оптимизации конструкции сцинтилляционных детекторов и технологичности процесса сборки ведутся более десяти лет.
Так патент США US 8,085,398 [US 8,085,398 В2 Dec 27 2011, Dushkan et al, CONCAVE COMPENSATED CELL FOR THE COLLECTION OF RADIATED LIGHT] описывает сцинтилляционную ячейку с вогнутой лункой для сбора излучаемого света на одной из плоских ее сторон и показывает, как можно организовать сбор света непосредственно из лунки с помощью фотоприемника.
Ячейка для сбора излучаемого света изготавливается из сцинтиллятора и имеет на одной своей плоской стороне лунку с вогнутой поверхностью. Лунка работает как линза для сбора сцинтиллированного в ячейке света. Плоские поверхности сцинтилляционной ячейки покрывают отражающим материалом: светоотражающими пленками, различными видами фольги, краской и другими покрытиями. Фотоприемник своей активной светочувствительной стороной обращен к вогнутой отражающей поверхности лунки без промежуточной среды (только воздух).
В патенте представлена конструкция единичной сцинтилляционной ячейки. Описаны отдельные способы и приемы изготовления сцинтилляционных ячеек, которые могут быть квадратной или шестигранной формы. Есть указание, что несколько ячеек в детекторе могут быть расположены вместе.
Патент не показывает деталей конструкции детектора, выполненного на основе отдельных сцинтилляционных ячеек.
Один из вариантов конструкции сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей был предложен международной коллаборацией С ALICE.
Коллаборацией CALICE предложен и создан сцинтилляционный детекторный блок AHCAL [Felix Sefkow and Frank Simon On behalf of the CALICE Collaboration «A highly granular SiPM-on-tile calorimeter prototype» 18th International Conference on Calorimetry in Particle Physics (CALOR2018) IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1162 (2019) 012012]. Детекторный блок AHCAL состоит из печатной платы с массивом кремниевых фотоприемников, комплектом отдельных единичных сцинтилляционных ячеек и электроникой считывания сигналов (Фиг. 1). Положение фотоприемников на плате определяется грануляцией детектора. Детекторный блок AHCAL комплектуется отдельными единичными сцинтилляционными ячейками квадратной формы 30×30 мм и толщиной 3 мм с лункой для сбора излучаемого света. Каждая единичная ячейка обернута светоотражающей пленкой с отверстием для выхода света. Для упаковки сцинтилляционных ячеек в светоотражающую пленку было разработано и изготовлено специализированное роботизированное упаковочное оборудование. Единичные сцинтилляционные ячейки, обернутые светоотражающей пленкой последовательно, с использованием робототехники, приклеивались к печатной плате стороной, имеющей лунку (Фиг. 2).
При установке единичных ячеек в детектор важно было обеспечить максимально точное положение каждой сцинтилляционной ячейки относительно парного ей фотоприемника. Для установки единичных ячеек применялся промышленный робот с простейшим накопительным устройством на один типоразмер ячейки. Сцинтилляционные ячейки в накопительное устройство робота загружались вручную с соблюдением правильной ориентации «верх-низ».
В детекторном блоке AHCAL использовалась ортогональная сегментация массива сцинтилляционных квадратных ячеек и ячейки были одного размера. Никаких трудностей в работе накопительного устройства робота не возникало.
Способ изготовления детекторного блока AHCAL, взятый в качестве прототипа неплохо приспособлен для массового производства в случае, когда детектор состоит из большого количества одинаковых сцинтилляционных ячеек квадратной или шестигранной формы.
Однако существуют случаи, когда необходимы детекторы со сцинтилляционными ячейками произвольной формы. Например, если для создания массива ячеек используется полярная система координат, где размеры ячеек задаются значениями радиусов и углов, - так называемая «R-ϕ» геометрия (Фиг. 3).
Для создания массива ячеек имеющего «R-ϕ» геометрию, требуются ячейки разных геометрических размеров в зависимости от радиального их расположения. Обычно для такого варианта конструкции сегментированного детектора в целях упрощения изготовления используют ячейки в виде трапеций разных размеров. Детекторный модуль в этом случае состоит из набора ячеек 8…16 типоразмеров, а детектор состоит из детекторных модулей нескольких типоразмеров (Фиг. 4). Промышленный робот, применяемый для установки на печатную плату с фотоприемниками завернутых в отражатель сцинтилляционных ячеек массива, имеющего «R-ϕ» геометрию, в этом случае должен иметь или несколько накопителей деталей (для каждого радиального типоразмера сцинтилляционных ячеек) или один, сложный накопитель, например в виде плоский кассеты, содержащий полный комплект ячеек для сборки массива.
Использование нескольких накопителей для робота - манипулятора усложняет оснастку робота, а необходимость сборки нескольких типоразмеров детекторного блока вносит дополнительные сложности. Возможный вариант для захвата и позиционирования деталей с использованием визуальной системы распознавания размеров захватываемого объекта, где робот фотографирует объект, реконструирует его размеры и использует данные для перемещения в нужное место. Такой робот должна иметь функцию остановки укладки в случае возникновения сопротивления при установке объекта и последующего ожидания сторонней технической помощи человека. Есть ограничения по точности позиционирования объектов, и, как следствие, - увеличения гарантированных зазоров между объектами позиционирования.
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является - упрощение процесса сборки сцинтилляционного детекторного модуля, состоящего из массива единичных сцинтилляционных ячеек любой геометрической формы, без потери точности позиционирования ячеек, обеспечение повторяемости размеров и взаимного положения элементов детектора.
Технический результат достигается за счет того, что приклеивание и установку единичных сцинтилляционных ячеек детекторного модуля на печатную плату производят с использованием прецизионного шаблона. После приклеивания ячеек шаблон удаляют. Предварительно, на печатной плате и прецизионном шаблоне выполняют парные базовые установочные отверстия для точного позиционирования шаблона на печатной плате.
Прецизионный шаблон представляет собой решетчатую структуру с окнами и рамкой. Форма, размер и расположение каждого из окон соответствуют форме, размеру и расположению соответствующей сцинтилляционной ячейки в наборе детекторного модуля. Рамка шаблона обеспечивает сохранение его размеров и удобство в эксплуатации.
Наличие в конструкции детектора зазоров между сцинтилляционными ячейками, который необходимы по условиям изготовления и сборки для компенсации погрешностей изготовления и установки сцинтилляционных элементов, печатной платы и положения фотоприемников на плате, позволяет поместить в зазоры для позиционирования ячеек специальное устройство - прецизионный шаблон. Прецизионный шаблон представляет собой решетку с окнами для позиционирования отдельных единичных сцинтилляционных ячеек и рамку по контуру.
Прецизионный шаблон имеет базовые отверстия для точного позиционирования на печатной плате, которая имеет аналогичные базовые отверстия, относительно которых на ней с большой точностью установлены фотоприемники. Для фиксации положения единичных сцинтилляционных ячеек, обернутых светоотражающей пленкой, на поверхности печатной платы, на плату наносится клей. После установки шаблона на плату сцинтилляционные ячейки механически вставляются в окна решетки шаблона, что является быстрым и простым в исполнении действием. Как дополнительное преимущество, при таком подходе исключается повреждение детектора при попытке ошибочно установить в массив иной типоразмер сцинтилляционной ячейки.
Прецизионный шаблон удаляется из собранного массива после высыхания клея и используется для сборки следующего детекторного модуля. Такой способ обеспечивает простоту сборки детекторных массивов.
Изготовления сборочной оснастки в виде отдельного элемента (прецизионного шаблона) в виде решетчатой структуры с окнами, форма и размер которых соответствуют размеру и форме сцинтилляционных элементов производится методом лазерной резки листа нержавеющей стали толщиной 2…4 мм с большой точностью. Трудоемкость изготовления и стоимость такой оснастки невелика. Изготовление нескольких комплектов для разных типоразмеров детекторных модулей на станках лазерной резки с ЧПУ не займет много времени и средств. Реализация данного предложения требует значительно более простого и дешевого оборудования, чем в случаях прототипа и позволяет изготавливать детекторы практически с любыми типоразмерами и достаточно высокой производительностью.
Технический результат - упрощение процесса сборки сцинтилляционных детекторов, особенно в случае мелкосерийного производства, обеспечение гарантированной точности сборки, а значит и увеличение светосбора в активных элементах сцинтилляционных детекторов, что дает повышение точности пространственных измерений для больших площадей детектирования и улучшение потребительских параметров таких детекторов.
Особенно актуальным предложенный способ может стать для случаев изготовления небольших партий, что является типичным при создании физических исследовательских установок.
Описание фигур
Фиг. 1. Сцинтилляционный детекторный блок AHCAL.
1- Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками;
2- Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.
Обернутые в отражающую фольгу отдельные единичные сцинтилляционные ячейки (2) последовательно устанавливаются на печатную плату с кремниевыми фотоприемниками (1) и фиксируются на ней с помощью клея.
Фиг. 2. Единичные сцинтилляционные ячейки детектора AHCAL с лунками для фокусировки излучаемого света и размещение фотоприемников.
1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.
2 - Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.
3 - Отдельная единичная сцинтилляционная ячейка с лункой, без обертки в конверт из светоотражающего материала.
Каждая сцинтилляционная ячейка имеет лунку для фокусировки излучаемого света и размещения парного ей фотоприемника. Положение лунки ячейки и фотоприемника хорошо видно на примере с установленной сцинтилляционной ячейки без обертки 3.
Фиг. 3. Массив сцинтилляционных ячеек с размерами, заданными в полярной системе координат - «R - ϕ» геометрия.
Размеры ячейки 4 определяются радиусами R1, R2 и углом ϕ.
Фиг. 4. Пример массива сцинтилляционных ячеек, выполненных в «R - ϕ» геометрии с разбивкой его на отдельные сцинтилляционные детекторные модули 5, 6, 7, 8, 9.
Разбивка массива ячеек на отдельные модули позволяет сделать процесс производства детекторов более технологичным.
Фиг. 5. Прецизионные шаблоны для массива сцинтилляционных ячеек детекторного модуля.
а) - чертеж шаблона для сборки блока единичных сцинтилляционных ячеек 3×3.
б) - чертеж шаблона для сборки блока единичных сцинтилляционных ячеек выполненного в «R - ϕ» геометрии. Прецизионный шаблон имеет 64 ячейки.
в) - Прецизионные шаблоны, выполненные из листовой нержавеющей стали толщиной 2 мм с использованием лазерной резки.
Для точного совмещения печатной платы и прецизионного шаблона имеются базовые отверстия (P1, Р2) на шаблоне и печатной плате.
Фиг. 6. Сборка блока единичных сцинтилляционных ячеек 3×3.
1- Печатная плата
2- Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала ESR фирмы 3М отдельная единичная сцинтилляционная ячейка (30 мм ×30 мм, толщина 3 мм).
10 - Прецизионный шаблон для массива сцинтилляционных ячеек детекторного блока 3×3;
Массив из девяти отдельных единичных сцинтилляционных ячеек, аналог прототипа детекторного блока AHCAL собирается с использованием прецизионного шаблона. Клей на поверхность печатной платы наносится перед сборкой. Единичные сцинтилляционные ячейки, обернутые в индивидуальные конверты, последовательно устанавливаются в окна решетки шаблона. После высыхания клея прецизионный шаблон из массива сцинтилляционных ячеек удаляется.
Фиг. 7. Сборка блока единичных сцинтилляционных ячеек 8×8, выполненного в «R - ϕ» геометрии.
а) Прецизионный шаблон установлен на макет печатной платы и 19 единичных сцинтилляционных ячеек, обернутые в индивидуальные конверты из светоотражающего материала установлены в окна решетки шаблона. Для приклейки единичных сцинтилляционных ячеек к плате использовалась двухсторонняя клейкая лента, б) Прецизионный шаблон снят с печатной платы. Положение единичных сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты, на печатной плате после снятия шаблона не изменилось, конверты ячеек не были повреждены, повреждения светоотражающего покрытия сцинтилляционных ячеек не наблюдалось.
Осуществление изобретения
Для проведения исследования использовались идентичные по размерам и материалу образцы прототипа единичных сцинтилляционных ячеек сцинтилляционного детекторного блока AHCAL, 30×30×3 мм обернутые в индивидуальные конверты из светоотражающего материала и образцы единичных сцинтилляционных ячеек для детекторного модуля, имеющего массив сцинтилляционных ячеек с размерами, заданными в полярной системе координат (8×8=64 ячейки), обернутые в индивидуальные конверты из светоотражающего материала.
Светоотражающие конверты были изготовлены из светоотражающего листового пленочного материала ESR фирмы ЗМ методом лазерной резки на специальном станке ЧПУ.
Прецизионные шаблоны для ортогонального массива сцинтилляционных ячеек 30×30×3 мм (3×3=9 ячеек) и массива сцинтилляционных ячеек с размерами, заданными в полярной системе координат (8×8=64 ячейки) (Фиг. 5) были изготовлены методом лазерной резки из листа нержавеющей стали толщиной 2 мм. Станок лазерной резки с ЧПУ обеспечил точность выполнения размеров шаблона 0,1 мм. Изготовили по 2 образца шаблонов каждого типоразмера.
Изготовленные шаблоны использовались для сборки образцов массивов сцинтилляционных ячеек. (Фиг. 7).
Для приклейки сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала, использовалась двухсторонняя клейкая лента, установленная на сторону конверта, контактирующего с печатной платой.
Выполненные работы показали, что шаблоны при правильном подборе размеров решетки и размеров сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты, позволяют легко и быстро проводить сборку массива ячеек детектора. Повреждения светоотражающего покрытия сцинтилляционных ячеек не происходило.
Для фиксации положения ячеек на печатной плате можно использовать: жидкий клей или двухстороннюю клейкую ленту.