СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATION DETECTOR

Изобретение относится к области детектирования частиц ионизирующего излучения, в частности к сцинтилляционным детекторам на основе пластмассовых или кристаллических сцинтилляторов, в которых для вывода излучения применяются спектросмещающие волокна, и может быть использовано для создания экономичных крупногабаритных детекторов частиц для исследований по физике высоких энергий, ядерной физике, радиационной медицине и в различных технических приложениях.
Известны конструкции сцинтилляционных детекторов на основе пластмассовых сцинтилляторов с выводом излучения с помощью спектросмещающих волокон, например R. Wojcik et al. Nucl. Instr. and Meth. A 342 (1994) 416-435. Такие детекторы обычно представляют собой сцинтилляционные пластины различной формы с канавками для размещения спектросмещающих волокон. Для увеличения оптического сигнала в волокнах последние обычно вклеиваются в канавки оптическими клеями. Основными недостатками таких детекторов являются следующие:
1. Производство партий детекторов со сцинтилляторами различной формы или различных размеров требует изготовления специальных дорогостоящих форм (литье под давлением) или механической обработки экструдированных полос сцинтилляторов и полимеризованных заготовок сцинтилляторов.
2. Производство наиболее экономичных пластмассовых сцинтилляторов, изготовленных из гранул литьем под давлением или экструдированием, предполагает обязательные операции расплава полистирольных гранул, как правило, смешанных со сцинтилляционными добавками, и последующего впрыска расплава в формы либо экструдирование расплава в случае использования экструдеров. Плавление гранул, происходящее при температуре более 200°С, и перемешивание расплава шнеком ухудшает оптические характеристики сцинтилляторов. Кроме того, само использование машин для литья под давлением или экструдеров, естественно, удорожает стоимость сцинтилляторов по сравнению со стоимостью гранул и делает возможным изготовление таких сцинтилляторов, как правило, только на специализированных предприятиях.
3. В большинстве случаев является невозможным использование изготовленных для одного типа детекторов сцинтилляторов с вклеенными спектросмещающими волокнами для создания детекторов другого типа.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является сцинтилляционный детектор (G.I. Britvich, S.K. Chemichenko, A.P. Chubenko et al. Nucl. Instr. and Meth. A 564 (2006) 225-234), в котором используется плоский набор из большого количества сцинтилляционных пластин с канавками, через которые проходят спектросмещающие волокна, преобразующие сцинтилляционное излучение пластин в сине-фиолетовой части спектра (400-440 нм) в зеленый свет в области 480-530 нм и транспортирующие зеленый свет к фотоприемнику. Основными недостатками данного детектора, кроме указанных выше, является сложность конструкции детектора и наличие большого количества границ между пластинами, что приводит к потере эффективности регистрации частиц из-за наличия конечных зазоров между пластинами.
Техническим результатом данного изобретения является существенное упрощение технологии изготовления самих сцинтилляторов и сцинтилляционных детекторов на их основе, а также возможность повторного использования сцинтилляторов в любых других детекторах на основе сцинтилляционных гранул.
Заявляемый детектор состоит из сцинтиллятора, представляющего собой сцинтилляционные гранулы, заполняющие активный объем детектора, и спектросмещающих волокон, проходящих через рабочий объем детектора с зазорами между ними, по крайней мере, в несколько раз меньшими, чем длина ослабления сцинтилляционного излучения в объеме, заполненном гранулами, а также фотодетектора, сочлененного с торцами волокон. Внутренние поверхности стенок рабочего объема покрываются зеркальным или диффузным отражателем. С фотодетектором сочленены либо оба торца каждого волокна либо один, при этом другой торец обычно покрывается зеркальным отражающим слоем. Гранулы цилиндрической, шаровой, кубической или другой формы имеют характерные размеры до нескольких миллиметров и могут быть изготовлены на основе полистирола или полиметилметакрилата со сцинтилляционными добавками или на основе кристаллических сцинтилляторов.
На фиг.1 показаны две проекции детектора с одним рядом спектросмещающих волокон. Рабочий объем со стенками (1), покрытыми отражающим слоем (2), заполнен сцинтилляционными гранулами (3). Спектросмещающие волокна (4) проходят на половине толщины рабочего объема и один торец каждого волокна пристыковывается к фотодетектору 6. Противоположные торцы волокон покрыты зеркально отражающим слоем (5). Расстояние между волокнами и толщина рабочего объема в несколько раз меньше длины затухания света в рабочем объеме детектора, заполненном сцинтилляционными гранулами в отсутствии волокон.
Данная конструкция обеспечивает величину светового сигнала в спектросмещающих волокнах, сравнимую с величиной сигнала в случае детектора-прототипа, но при этом не требуется переработки гранул, то есть изготовления сцинтилляционных пластин или полос литьем под давлением или экструдированием.
Заявляемый детектор работает следующим образом: заряженная частица, проходя через слой гранул, возбуждает сцинтилляционное излучение, которое распространяется по рабочему объему, заполненному гранулами, и поглощается спектросмещающими волокнами. Поглощенное излучение переизлучается волокнами в более длинноволновом диапазоне и транспортируется ими к фотодетектору, вызывая сигнал на его выходе. Следует отметить, что свободный объем между гранулами может быть заполнен прозрачными растворами солей тяжелых металлов для увеличения коэффициента поглощения гамма-квантов или соединений, увеличивающих чувствительность детектора к нейтронам.