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.
Под сегментированным детекторным модулем (СДМ) подразумевается аппаратурный комплекс, состоящий из набора детекторов различной конфигурации и первичной электроники, служащей для обработки детекторных сигналов, а также для их подготовки для передачи в компьютер с целью дальнейшей обработки, анализа и представления информации.
Возможность практического создания СДМ с количеством детекторов порядка 100 шт. и более в настоящее время обусловлена следующими факторами: созданием детекторов с большой чувствительной поверхностью, основанных на использовании спектросмещающих волокон (СВ); прогрессом в создании высокоэффективных фотоприемников; развитием микропроцессорной и компьютерной техники.
В общем случае в СДМ используют детекторы различных типов. С точки зрения стоимости наибольший интерес представляют собой СДМ с использованием сцинтилляционных детекторов (СД) на основе дешевых пластмассовых сцинтилляторов, которые используют в первую очередь для регистрации быстрых нейтронов, для регистрации гамма-излучения и тепловых нейтронов. В настоящее время пластмассовые сцинтилляторы широко применяют в счетчиках, калориметрах, трекерах. Их основные преимущества - быстрый отклик (0,5-3 нс), высокое временное разрешение (< 0,2 нс), высокая прозрачность к собственному излучению, температурная и временная стабильность, возможность создавать СД различной формы и большого размера.
Известен ряд сцинтилляционных детекторов.
Координатно-чувствительный детектор, содержащий блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах которых расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, отличающийся тем, что блок выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2351954, G01T 3/06, 2009.
Известен двухкоординатный детектор, преобразователь излучения в котором выполнен в виде сцинтиллирующей пластины с закрепленными на ней на противоположных плоскостях рядами светопереизлучающих волокон, расположенных перпендикулярно друг другу, а фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2353952, G01T 3/06, 2009.
Недостатками аналогов являются относительно большое количество фотоприемников, количество которых пропорционально площади или объему детектора, невозможность эффективно разделять сигналы от различных видов излучений, например быстрых нейтронов и гамма-квантов.
Известен сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, отличающийся тем, что преобразователи излучения располагаются 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, G01T 1/20, 2010. Прототип.
Недостатками прототипа являются относительно большое количество каналов регистрации, ограниченные функциональные возможности детектора из-за недостаточной эффективности регистрации низкоэнергичных ионизирующих излучений, обусловленной относительно низким коэффициентом светосбора сцинтилляционных фотонов светопереизлучающими волокнами.
Данное изобретение устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом изобретения является формирование универсального сцинтилляционного детектора, содержащего преобразователи излучения любого типа, уменьшение количества каналов регистрации за счет использования одного волокна для считывания сигнала с двух рядов преобразователей, находящихся в смежных плоскостях, увеличение функциональных возможностей детектора за счет увеличения эффективности светосбора сцинтилляционных фотонов при диагональном соединении волокна с преобразователем излучения.
Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон 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 преобразователи излучения и светопереизлучающие волокна покрыты светоотражающим и светозащитным материалами. Светопереизлучающие волокна установлены с контактом в канавках смежных рядов преобразователей излучения.
Сущность изобретения поясняется на Фиг.1 и 2.
На Фиг.1 представлен планарный вариант сцинтилляционного детектора, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы (волокна). Для примера приведен детектор, содержащий 25 преобразователей излучения. Считывание сигналов со всех этих преобразователей производится по 14 каналам регистрации.
На Фиг.2 представлен объемный вариант сцинтилляционного детектора, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы (волокна). Детектор содержит 234 преобразователя излучений. Считывание сигналов с этих преобразователей производят всего по 52 каналам регистрации. Уменьшение числа каналов регистрации в детекторе обеспечено тем, что волокна 2 в смежных со средним рядах преобразователей излучения 1 находятся в канавках и контактируют одновременно с двумя рядами преобразователей, находящимися в параллельных плоскостях детектора. (Канавки на фигурах не показаны).
Уменьшение числа каналов регистрации - это уменьшение стоимости детектора. Стоимость одного канала регистрации составляет по порядку величины примерно 100 дол. США.
Увеличение эффективности светосбора сцинтилляционных фотонов спектросмещающим волокном 2 достигается за счет увеличения площади контакта спектросмещающего волокна 2 с преобразователем излучения 1. Чем больше отношение площади контакта к площади поверхности преобразователя излучения 1, тем выше эффективность светосбора. Повышение эффективности светосбора приводит к увеличению амплитуды регистрируемого сцинтилляционного сигнала и, как следствие, повышению эффективности регистрации низкоэнергичных частиц.
Рассмотрим работу устройств.
Преобразователи излучения 1 выполнены в виде симметричной объемной фигуры, например в виде додекаэдра со светопереизлучающими волокнами 2, расположенными по диагоналям противоположных граней, и не имеют оптического контакта между собой.
Каждый преобразователь излучения 1 имеет контакт с двумя скрещивающимися светопереизлучающими волокнами 2. При возникновении в одном из преобразователей излучения 1 сцинтилляционной вспышки фотоны от этой вспышки попадают одновременно в два скрещивающихся светопереизлучающих волокна 2, где переизлучаются и распространяются по светопереизлучающим волокнам 2 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего материала.
Количество фотонов, попавших в каждое из волокон 2, определяется отношением площади контакта волокна 2 с преобразователем излучения 1 к площади поверхности преобразователя 1. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих волокон 2, регистрируют фотодетекторами (не показаны). Положение преобразователя излучения, в котором произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам фотодетекторов (или каналов регистрации), на которых сигнал появился практически одновременно.
Преобразователи излучения 1 покрыты светоотражающим материалом для увеличения количества фотонов, попадающих в светопереизлучающие волокна 2, и светозащитным материалом, чтобы свет не попал в соседние преобразователи излучения 1 и соответствующие им светопереизлучающие волокна 2.
Светопереизлучающие волокна 2 выполняют 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. Для увеличения доли собираемых фотонов сцинтилляционной вспышки светопереизлучающие волокна 2 расположены по диагоналям граней преобразователей излучения 1.
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 1 выполнены из различных материалов, что позволяет регистрировать различные виды радиоактивных излучений.
2
6
Для регистрации рентгеновского и гамма-излучений в состав детектора вводят преобразователи излучения 1 из прозрачных сцинтилляторов: NaI, CsI, BGO, BaF и других. Для регистрации тепловых нейтронов вводят пластмассовый сцинтиллятор с добавками бора или слои сцинтиллятора на основе изотопа лития-6 (LiFZnS) или бора-10. Для регистрации быстрых нейтронов и гамма-излучений вводят преобразователи на основе пластмассовых сцинтилляторов.
Тип преобразователей излучения 1, их количество, размер и форму определяют исходя из требований к системе регистрации. Ограничения на указанные параметры накладывает эффективность сбора света с преобразователя излучения 1 на светопереизлучающее волокно 2. Габаритный размер детектора определен длиной затухания света в светопереизлучающих волокнах 2, которое достигает нескольких метров.