Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор ионизирующих излучений (его варианты)

 

1. Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшения позиционного разрешения по одной из координат, сцинтиллятор выполнен в виде волоконного световода и свернут в виде спирали, заданной конфигурации.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что волоконный световод, из которого выполнен сцинтиллятор, без зазоров в один слой уложен в виде плоской спирали.

3. Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшения позиционного разрешения по одной из координат, сцинтиллятор выполнен в виде волоконного световода, уложенного в виде зигзагообразной кривой заданной конфигурации.

4. Детектор по п.3, отличающийся тем, что волоконный световод, из которого выполнен сцинтиллятор, без зазоров уложен в виде зигзагообразной кривой, лежащей в одной плоскости.

5. Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшения позиционного разрешения по одной из координат, детектор содержит сердечник и сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода, причем сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода, намотан на сердечник.

6. Детектор по п.5, отличающийся тем, что сердечник изготовлен в виде цилиндра, на который без зазоров в один слой намотан сцинтиллятор. Изобретение относится к устройствам для регистрации и исследования ионизирующих излучений и может быть применено в ядерно-физическом приборостроении. Известны сцинтилляционные позиционно-чувствительные детекторы (СПЧД) дискретного типа, состоящие из отдельных, плотно пригнанных друг к другу для того, чтобы покрывать всю исследуемую поверхность, сцинтилляторов. Каждый из этих сцинтилляторов, как правило, просматривается двумя фотоприемниками, что позволяет сократить число фотоприемников, ибо они просматривают сцинтилляторы по матричной схеме. Сигналы с фотоприемником поступают в электронный блок схемы, в котором определяется номер сцинтиллятора, в котором произошла сцинтилляция, и тем самым координаты сцинтилляции. Недостатком дискретных СПЧД является то, что для обеспечения их работы необходимо сравнительно большое количество сцинтилляторов и соответственно фотоприемников (десятки и даже сотни), это приводит к усложнению их конструкции и электронной схемы и соответственно к снижению надежности. Наиболее близким техническим решением к изобретению является СПЧД с временным методом выделения позиционной информации или временной СПЧД, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора. Этот детектор представляет собой стержень из сцинтиллирующего материала, просматриваемый с противоположных торцов фотоприемниками. Позиционная информация выделяется из разности времен прихода светового импульса на фотоприемник. Временные СПЧД, как правило, имеют более простую электронную схему по сравнению с другими СПЧД. К недостаткам временных СПЧД можно отнести сравнительно плохое позиционное разрешение, составляющее 3-5 см, и узкий диапазон функциональных возможностей, выражающийся в том, что в литературе известны только однокоординатные варианты применения СПЧД с временным методом выделения позиционной информации. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей СПЧД с временным методом выделения позиционной информации путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшение позиционного разрешения по одной из координат. Цель достигается тем, что в сцинтилляционном позиционно-чувствительном детекторе ионизирующих излучений, содержащим сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, сцинтиллятор выполнен в виде волоконного световода и свернут в виде спирали заданной конфигурации, а также тем, что волоконный сцинтиллятор без зазоров в один слой уложен в виде плоской спирали. Кроме того, цель достигается тем, что сцинтиллятор выполнен в виде волоконного световода, уложенного в виде зигзагообразной кривой заданной конфигурации, волоконный сцинтиллятор без зазоров уложен в виде зигзагообразной кривой, лежащей в одной плоскости. Кроме того, детектор содержит сердечник и сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода, причем сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода, намотан на сердечник. Сердечник может быть изготовлен в виде цилиндра, на который без зазоров в один слой намотан сцинтиллятор. Применение сцинтилляционного позиционного чувствительного детектора концентрирующих излучений по первому варианту позволяет производить съем информации в полярных координатах. При этом отрезок волоконного сцинтиллятора отсчитывается от начала спирали (там, где меньший радиус) и заканчивается на точке, где произойдет данная сцинтилляция. В этом случае соотношение между точкой сцинтилляции и ее координатами задается уравнением спирали. Принцип действия и электронная схема данного детектора аналогичны прототипу. Как в прототипе, так и в данном детекторе измеряется (с одинаковым позиционным разрешением) длина отрезка, отсчитываемого вдоль сцинтиллятора от одного из фотоприемников, выбранного за точку отсчета, до места сцинтилляции. В отличие от прототипа длина этого отрезка не является выходным параметром. По длине этого отрезка с учетом введенного выше соотношения определяются координаты места сцинтилляции. При этом очевидно, по координате, направленной поперек волокон волоконного сцинтиллятора, позиционное разрешение будет равно диаметру волоконного световода, что существенно (более чем на порядок) лучше, чем позиционное разрешение прототипа. Кроме того, следует отметить, что применение волоконного сцинтиллятора упрощает создание пассивного зонда для дистанционных измерений, при этом волоконный сцинтиллятор соединяется с фотоприемниками с помощью волоконно-оптических линий связи, выполненных из несцинтиллирующего материала. Соединение осуществляется теми же методами, что и соединение волоконно-оптических линий связи. Применение сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора ионизирующих излучений по второму варианту позволяет производить съем информации в декартовых координатах. В этом случае одна из координат сцинтилляции определяется как номер отрезка волоконного сцинтиллятора между двумя последовательными разворотами его при укладке. Вторая координата определяется как положение сцинтилляции вдоль этого отрезка, аналогично прототипу. При этом необходимо, чтобы длина каждого такого отрезка была больше позиционного разрешения вдоль волоконного сцинтиллятора. Принцип действия и электронная схема детектора аналогичны прототипу. Таким образом, позиционное разрешение вдоль отрезков волоконного сцинтиллятора будет соответствовать прототипу, а позиционное разрешение по координате, направленной поперек отрезков волоконного сцинтиллятора, будет равно диаметру волоконного сцинтиллятора. Применение волоконного сцинтиллятора упрощает стыковку детектора с волоконно-оптическими линиями связи и тем самым позволяет использовать его при дистанционных измерениях. Применение сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора ионизирующих излучений позволяет производить съем информации в цилиндрических координатах. В этом случае одна из координат сцинтилляции определяется как номер витка, вторая координата как положение сцинтилляции вдоль этого витка. При этом необходимо, чтобы длина каждого витка была больше позиционного разрешения вдоль волоконного сцинтиллятора. Принцип действия и электронная схема детектора аналогичны прототипу. Таким образом, позиционное разрешение вдоль витков волоконного сцинтиллятора будет соответствовать прототипу, а позиционное разрешение в направлении поперек витков волоконного сцинтиллятора будет равно диаметру волоконного сцинтиллятора. Применение волоконного сцинтиллятора упрощает стыковку детектора с волоконно-оптическими линиями связи и тем самым позволяет использовать его при дистанционных измерениях. На фиг. 1, 2, 3 показаны соответственно первый, второй и третий варианты сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора ионизирующих излучений. На фиг. 1 изображен общий вид сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора ионизирующих излучений со съемом информации в полярных координатах (вариант 1). Волоконный световод-сцинтиллятор 1 спиралеобразно уложен на плоскости, концы волоконного световода-сцинтиллятора через волоконно-оптические линии связи 2 соединены с фотоэлектронными умножителями 3, сигналы с которых поступают на электронный блок 4. Следует отметить, что если детектор не предназначен для дистанционных измерений, то волоконно-оптические линии связи 2 могут отсутствовать, и фотоэлектронные умножители непосредственно пристыкованы к волоконному сцинтиллятору. На фиг. 2 изображен общий вид сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора ионизирующего излучения со съемом информации в декартовых координатах (вариант 2). Волоконный сцинтиллятор 1 плотно (в один слой) волокно к волокну рядами уложен на плоскости. Места разворота волоконного сцинтиллятора защищены от ионизирующего излучения накладками 5, изготовленными из материала, поглощающего ионизирующее излучение (свинец два гамма-квантов, боросодержащие соединения для нейтронов или комбинированные накладки, поглощающие как гамма-кванты, так и нейтроны). Концы волоконного световода сцинтиллятора 1 через волоконно-оптические линии связи 2 соединены с фотоэлектронными умножителями 3, сигналы с которых поступают на электронный блок 4. Если детектор не предназначен для дистанционных измерений, то волоконно-оптические линии связи могут отсутствовать, и фотоэлектронные умножители непосредственно пристыкованы к волоконному световоду. На фиг. 3 изображен общий вид предложенного сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора ионизирующих излучений со съемом информации в цилиндрических координатах (вариант 3). Предложенный детектор состоит из цилиндрического сердечника 6, выполненного из материала, поглощающего ионизирующее излучение, волоконного световода-сцинтиллятора 1, без зазоров (в один слой) намотанного на сердечник 6, волоконно-оптических линий связи 2, соединяющих волоконный сцинтиллятор с фотоэлектронными умножителями 3 и электронного блока 4, на который поступают и обрабатываются сигналы с фотоэлектронных умножителей. Следует отметить, если детектор не предназначен для дистанционных измерений, то волоконно-оптические линии связи могут быть опущены, и фотоэлектронные умножители непосредственно пристыкованы к волоконному сцинтиллятору. Если детектор подвергается облучению гамма-квантами, то сердечник может быть изготовлен из свинца, если нейтронному облучению то из боросодержащих соединений. Можно применить и комбинированный сердечник, поглощающий как гамма-кванты, так и нейтроны. Устройство работает следующим образом. Свет от сцинтилляции, возникшей в сердцевине волоконного световода-сцинтиллятора 1 (как и в случае прототипа), распространяется в две противоположные стороны со скоростью v и достигает соответственно двух фотоэлектронных умножителей 3. Разность во времени появления импульсов света на концах волоконного сцинтиллятора несет в себе информацию о месте возникновения сцинтилляции. Эту разность можно выразить следующим соотношением: Δt где Δ t разность во времени появления импульсов света на концах волоконного сцинтиллятора; L длина волоконного сцинтиллятора; l расстояние вдоль волоконного сцинтиллятора от одного из его концов до места сцинтилляции. В соответствии с Δ t электронный блок 4 вырабатывает импульс, длительность которого определяется следующим выражением: ΔT Δt+Δtʹ +Δtʹ где ΔТ длительность импульса, вырабатываемого электронным блоком; Δ t' разность времен прохождения импульсов от одной сцинтилляции через фотоэлектронные умножители и цепи электронного блока (если волоконный сцинтиллятор соединен с фотоэлектронными умножителями через волоконно-оптические линии связи, то Δ t' включает в себя также и разность прохождения импульсов по этим линиям связи). Решая вышенаписанное выражение относительно величины l, получим: l + Как правило, для удобства работы с детектором применением соответствующих линий задержки в электронном блоке добиваются такой величины Δ t', чтобы член был равен нулю. В этом случае l (1) Для того, чтобы воспользоваться детектором как двухкоординатным, необходимо установить соответствие между координатами точки на плоскости и величиной l. Для этого воспользуемся уравнением спирали, которое наиболее просто записывается в полярных координатах R r+ (2) где R расстояние от центра спирали до выбранной точки; r начальный (внутренний) радиус спирали; D диаметр волоконного световода со сцинтиллирующей сердцевиной; ϕ- угол, отсчитываемый от луча, начинающегося в центре спирали и проходящего через начало намотки спирали на внутренней стороне вслед за точкой, движущейся по спирали до совпадения с выбранной точкой. Длину спирали от начала намотки до выбранной точки можно найти по формуле
l Rdϕ rϕ+ Подставив в это соотношение выражение (1), получим
rϕ+ Решая написанное выражение относительно ϕ и отбросив отрицательное значение ϕ как не имеющее физического смысла, получим ϕ (3) Подставив выражение (3) в выражение (2), получим формулу для определения длины радиус-вектора места сцинтилляции R + (4) Поскольку угол ϕ не удобен как угловая координата, определим угол α следующим образом:
α угол, отсчитываемый от луча, начинающегося в центре спирали и проходящего через начало намотки спирали до радиус-вектора места сцинтилляции в ту же сторону, что и угол ϕ Сравнивая определения ϕ и α найдем, что:
α ϕ-2πE где E целая часть числа ϕ / 2 π Подставив в вышенаписанное выражение соотношение (3), получим α 2πE- (5) Соотношения (4) и (5) связывают величину ΔТ с полярными координатами места сцинтилляции на плоскости. Анализируя выражения (1), (3) и (4), можно получить соотношения, определяющие позиционное разрешение предлагаемого детектора. Например, подставив в уравнение (4) соотношение (1), получим
R + Продифференцировав вышенаписанное выражение по l и заменив dR на Δ R и dl на Δ l, получим
где Δ R позиционное разрешение предлагаемого детектора по радиусу;
Δ l позиционное разрешение вдоль волоконного сцинтиллятора (величина Δ l соответствует позиционному разрешению прототипа). Поскольку из конструктивных соображений, как правило r >> D и l >> D, то ≪ 1 (6) Однако, следует учесть, что при выводе соотношения (6) не учитывалось распределение сцинтилляций по диаметру волоконного световода 1. Очевидно, что учет этого фактора дает принципиальное ограничение позиционного разрешения Δ R, которое не может быть меньше D диаметра волоконного сцинтиллятора. При этом позиционное разрешение, равное D, достигается как только виток спирали по своей длине становится больше Δ l. Используя соотношение (1) и (3), получим
ϕ Продифференцировав это выражение по l и заменив dϕ на Δ ϕ и dl на Δ l, получим
Задавшись позиционным разрешением по ϕ, с помощью вышенаписанного выражения выбирается начальный радиус r намотки, при котором позиционное разрешение детектора не превысит наперед заданного
r Кроме того, из соображений сохранения механической целостности и оптической прозрачности волоконного сцинтиллятора начальный радиус намотки должен быть не менее минимального допустимого радиуса изгиба для волоконного сцинтиллятора. Детектор может быть изготовлен не только плоским, он может иметь и более сложную поверхность, в этом случае наименьший радиус изгиба поверхности детектора должен быть не менее минимально допустимого радиуса изгиба для волоконного световода сцинтиллятора 1. Крепеж волоконного световода на исследуемой поверхности можно осуществлять различными способами, наиболее удобным представляется приклеивание. Вариант технического решения, изображенный на фиг. 2, отличается от описанного расположением волоконного сцинтилятора на исследуемой поверхности. Очевидно, что в случае детектора, изображенного на фиг. 2, по координате, направленной вдоль волокон, позиционное разрешение будет соответствовать прототипу и равно Δ l, а по координате, направленной поперек волокон, позиционное разрешение будет равно D диаметру волоконного сцинтиллятора. Длина отрезков волоконного сцинтиллятора, используемых для разворота волоконного сцинтиллятора и скрытых под накладками, должна быть не менее Δ l. Кроме того, радиус изгиба волоконного сцинтиллятора нигде не должен быть менее минимально допустимого радиуса изгиба для волоконного сцинтиллятора. Толщина защищающих накладок выбирается, исходя из допустимой, при данных измерениях вероятности регистрации частиц с искаженными координатами. По-видимому, для большинства случаев будет вполне достаточно, если накладки 5 будут ослаблять падающее на них излучение в 100 раз. Конструктивно накладки могут быть выполнены различными способами, они могут также взять на себя роль рамки, на которую будет натянут детектор. В принципе можно обойтись и без защищающих накладок 5, если предусмотреть в электронном блоке систему фильтрации сцинтилляций, прошедших в местах разворота волоконного световода сцинтиллятора 1. Это возможно сделать, поскольку каждому месту разворота соответствуют определенные длины волоконного световода-сцинтиллятора 1. Детектор, изображенный на фиг. 3, отличается от описанных наличием поглощающего излучения сердечника. Наличие поглощающего сердечника снижает вероятность сквозного прохода ионизирующего излучения через детектор и соответственно возникновения сцинтилляций при выходе частиц из детектора, тем самым уменьшая искажения позиционной информации. Очевидно, что чем больше радиус сердечника, тем меньше искажения позиционной информации за счет сквозного прохода частиц через детектор, при этом следует отметить, что наличие поглощающего сердечника любого размера уменьшает искажения позиционной информации по сравнению с прототипом. Радиус сердечника кроме вышеописанных соображений должен удовлетворять следующим требованиям: радиус сердечника должен быть не менее минимально допустимого, для выбранного волоконного сцинтиллятора радиуса изгиба; радиус сердечника должен удовлетворять следующему соотношению:
R где R радиус сердечника;
С скорость света в вакууме;
n показатель преломления материала сердцевины волокна;
τ- временное разрешение электронного блока детектора. Первое требование вытекает из соображений сохранения механической целостности и прозрачности волоконного световода со сцинтиллирующей сердцевиной. Второе требование обеспечивает позиционное разрешение, соответствующее диаметру волоконного сцинтиллятора, поскольку при этом длина одного витка, равная 2 π R превысит позиционное разрешение вдоль воло- конного сцинтиллятора, равное
Для всех вариантов исполнения детектора справедливо следующее соотношение, связывающее временное разрешение детектора с длиной L волоконного сцинтиллятора
ζ ζ- наименьшее время между двумя сцинтилляциями, позиционная информация о которых воспринимается без искажений, независимо от места возникновения сцинтилляции в чувствительной части детектора (временное разрешение детектора). По приведенным выше формулам целесообразно проводить предварительный расчет основных pазмеров детектора и диапазона перестройки линий задержки электронного блока. Затем, создав конкретный прибор, следует провести его калибровку с помощью источника ионизирующего излучения, создающего пятно облучения с размерами, не превышающими диаметра волоконного сцинтиллятора. Использование данных технических решений позволяет:
упростить электронную схему прибора и тем самым повысить его надежность;
обеспечить возможность создания пассивного детектора для дистанционных измерений. При этом вариант детектора, изображенный на фиг. 1, целесообразнее употреблять в тех случаях, когда ожидается распределение излучения в полярных координатах, например в случае дифракции на точечном объекте. Вариант детектора, изображенный на фиг. 2, целесообразнее употреблять в тех случаях, когда ожидается распределение излучения в декартовых координатах, например в случае дифракции на щели. Вариант детектора, изображенный на фиг. 3, целесообразнее употреблять при скважинных измерениях, например для исследования тонкой структуры пластов. Использование данных технических решений существенно расширяет область применения СПЧД с временным методом выделения позиционной информации, при этом не требует разработки специальной электронной схемы для его использования.

Формула изобретения

1. Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшения позиционного разрешения по одной из координат, сцинтиллятор выполнен в виде волоконного световода и свернут в виде спирали, заданной конфигурации. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что волоконный световод, из которого выполнен сцинтиллятор, без зазоров в один слой уложен в виде плоской спирали. 3. Сцинтилляционный позиционно-увствительный детектор ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшения позиционного разрешения по одной из координат, сцинтиллятор выполнен в виде волоконного световода, уложенного в виде зигзагообразной кривой заданной конфигурации. 4. Детектор по п.3, отличающийся тем, что волоконный световод, из которого выполнен сцинтиллятор, без зазоров уложен в виде зигзагообразной кривой, лежащей в одной плоскости. 5. Сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор и два фотоприемника, пристыкованных к противоположным концам сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем регистрации позиционной информации по двум координатам и улучшения позиционного разрешения по одной из координат, детектор содержит сердечник и сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода, причем сцинтиллятор, выполненный в виде волоконного световода, намотан на сердечник. 6. Детектор по п.5, отличающийся тем, что сердечник изготовлен в виде цилиндра, на который без зазоров в один слой намотан сцинтиллятор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---