Сцинтилляционный спектрометр гамма-излучения

 

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к спектрометрии радиа1Ц1онного излучения, и может быть использовано для исследования всплесков гамма-излучения в космическом пространстве. Цель изобретения - повьипение чувствительности за счет увеличения активной поверхности для регистрации гамма-излучения и уменьшения фона гамма-излучения. В устройство, содержащее блок детектирования , состоящий из выполненных в виде кристаллов из неорганического сцинтиллятора m детекторов гамма-излучения и двух охранных детекторов с соответствующим числом находящихся с ними в оптическом контакте фотоэлектрических преобразователей, п блоков антисовпадений, первый п-входовый элемент ИЛИ, временной анализатор , всплесковую ячейку, триггер, счетчик импульсов, амплитудный анализатор , регистрирующий блок и т+1 дискриминаторов, введены второй и третий га-входовые элементы ЯПИ, т-1 счетчиков импульсов и т-входовьй мажоритарный блок совпадений, а п

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (П!

2 А1 (504 (О1 Т

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITH4

Ы.,1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ i)3„"

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ К (21) 4074025/31-25 (22) 03.06.86 (46) 30.04.88.Ьюл. М 16 (71) Институт космических исследонаФ ний АН СССР, Ереванский физический институт и Московский инженерно-физический институт (72) Ф.А.Агаронян, А.Г.Ахперджанян, А.А.Габриелян, А.С.Гляненко, A.È.Григорьев, В.И.Журавлев, Р.С.Канканян, Ю.Д.Котов, А.В.Курочкин, И.М.Панков и Л.А.Погосян (53) 5 ° 35.214.4 (088,8) (56) Андреев О.Н. и др. Наблюдения космических гамма-всплесков в эксперименте "Конус" на АМС "Венера-13" и "Венера-14". — Космические исследования, 1983, т.21, вып.3, с ° 480.

Staples М. The Electronic systems

for the Gamma ray experiment for the

solar maximum mission. — IEEE, ЯЯ вЂ” 27, 1980, lt 11, р.381. (54) СЦИНТИЛНЯЦИОННЫИ СПЕКТРОМЕТР

ГА1Ф А-ИЗ!!УЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к спектрометрии радиационного излучения, и может быть использовано для исследования нсплесков гамма-излучения н космическом пространстве. Цель изобретения — повышение чувствительности эа счет увеличения активной понерхности для регистрации гамма-излучения и уменьшения фона гамма-излучения.

В устройство, содержащее блок детектирования, состоящий из выполненных в виде кристаллов из неорганического сцинтиллятора m детекторов гамма-излучения и двух охранных детекторон с соответствующим числом находящихся с ними в оптическом контакте фотоэлектрических преобразователей, m блоков антисонпадений, первый m-вхо" довый элемент ИЛИ, временной анализатор, нсплесконую ячейку, триггер, счетчик импульсов, амплитудный анализатор, регистрирующий блок и m+1 дискриминаторов, ннедены второй и третий m-входовые элементы ИЛИ, m-1

Счетчиков импульсон и m-нходоный мажоритарный блок совпадений, а m=

=(6 2 -5) детекторов гамма-излучения (n — натуральное число) выполнены н виде плотно соприкасающихся гранями шестигранных призм, зак репленных в едином светозащитном корпусе, что увеличивает активную поверхность для регистрации гаммаиэлучения за счет суммирования сигналов от отдельных детекторов при выделении всплеска и анализе времен. ного профиля, а также позволяет определять направление на источник нсппес. ка за счет раздельной обработки сигналов от отдельных детекторов. 4 ил.

1392522

Изобретение относится к ядерной д)иэике, а именно к спектрометрии гамма-излучения, и может быть испокьэовано для исследования вспле< ков

5 гамма-излучения в космическом пространстве. (ель изобретения — повн)))ение чувствительности за счет увеличения активной поверхности для регистрации 1() гамма-излучения и уменьшения Аонового излучения.

На Аиг.! представлен схематически блок детектирования; на Лиг.?. — то же, вид сверху; на Лиг.3 — функциональная схема сцинтипляционного

4() спектрометра гамма-излучения; на фиг,4 — схема, поясняющая метод определения направления прихода плоского фронта гамма-излучения с ис- 20 пользованием анцзотропной угловой чувствитепьнос ги, hJloK детектирования (Лиг.1) спектрометра (дпя случая семи детектои ров) содержит (h ? -5) детекторов 1 25 из неорганического сцинтиппятора на основе Свг(Те) в виде 1)1естигрлнных призм (Лиг.2) с отношением длины грани к высоте 0,7, охранный детектор 2 в виде колпака иэ пластического 30 сцинтиллятора толщиной 10 мм, вллгозащитный корпус 3, в котором размещены детекторы 1, основание 4, к которому крепятся охранный детектор 2 и охранный детектор 5 из пластичес35 кого сцинтиллятора толщиной 15 мм, и фотоэлектрические преобразователи

6 в виде фотоумножителей 1!)Зу-110, прикрепленные через стеклянные пластины 7 к детекторам 1, Для случая использования соответственно 19, п

43, ° ° .,(6 2 -5) детекторов конструкция блока детектирования аналогична.

Зазор между детекторами (шириной

2 мм) и между детекторами и влаго45 защитным корпусоь) 3 злп1)пиен непрозрачным наполнителем, Вллгозлщитный корпус 3 выполнен иэ легкого сплава с толщиной стелс к, позволяющей регистрировать 1 аммл-излучение с энер50 гней более 50 кэВ. Охранные детекторы 2 и 5 просматриваются восеMhv) фотоэпектриче1 зим)1 преобразователями в виде фотоумножителей типа )У-85 каждый (не поклал)нl . Такая конструкция блока детектирования обеспе55 чивает (как и в известном устр истве) злщиту от заря;венных частиц в ге.ц)си о и у Г J) e - Р .

h.1ок электроники спектрометра со1 7 держит (1))ИГ,3) дискриминаторы 8 8

1 дискриминатор 9, блоки 10 — 10, антисовпадений, мажоритарный блок 11 совпадений, элементы ИЛИ 12 — 14,временной анализатор 15, всплесковую ячейку 16, амплитудный анализатор 17, 7 триггер 18, счетчики 19 — 19 импульсов и регистрирующий блок (не обозначен).

Выходы фотоэлектрических преобразователей 6 детекторов 1 подключены через соответствующие дискриминаторы

8 к прямым входам блоков 10 антисовпадений, входы запрета которых соединены с одним входом элемента ИЛИ 13 и с выходом дискриминатора 9, подсоединенного входом к выходам фотоэлектронных преобразователей охранных детекторов 2 и 5. Выходы блоков

10 антисовпадений подключены к счетным входам счетчиков 19 импульсов, к соответствующим входам элементов

ИЛИ 12 и 13 и к соответствующим входам мажоритарного блока 11 совпадений, выход которого соединен с одним входом регистрирующего блока. Выход элемента ИЛИ 12 подсоединен через временной анализатор 15 к другому входу регистрирующего блока и через всплесковуи ячейку 16 и информативному входу триггера 18, подключенного входом сброса к выходу элемента ИЛИ 14 и выходом к входам обнуления счетчиков 19 импульсов, цифровые выходы которых подсоединены к третьей группе входов регистрирующего блока, а выходы переполнения подключены к соответствующим входам элемента

ИЛИ 14, Выход элемента ИЛИ 13 соединен с входом запрета амплитудного анализатора 17, подключенного выходами к четвертой группе входов регистрирующего блока и информационными входами к выходу фотоэлектрического преобразователя 6 центрального детектора 1.

Фиг.4 иллюстрирует метод определения направления прихода плоского фронта гамма-излучения с использованием анизотропной угловой чувствительности, обеспечиваемой взаимным затенением призм. Рассмотрим плоский фронт гамма-излучения, падающий нл 2 рядом находящиеся детекторы 1 и 1 под углом 8 к вертикальной оси /.

Иуст аэим тальннй угол составляет о

90 с осью X (фиг ° 2) . !ИиГ)и)1л одного

1392522 кристалла 1 (по оси У) равна а высота равна

Тогда, учитыная, что линейный коэффициент поглощения гамма-излучения в детекторе 1 равен p(E) для энергии гамма-квантов Е, можно получить отношение числа отсчетов н де4 текторах 1 и 1 в следующем виде:

10 (1) и

1+ а+ Y(a В) и

У," Э где а

yh (= ——

case

Функция F (K, $ ) характеризует степень поглощения гамма-излучения

2 в детекторах 1 и 1 . Для практичес-, ки важного случая, когда f >p 1, 20 получим

П2 h ? sin8 л. 1 tg8 — - — —.— — . (2) и, а p(E) а

pI(E) 4 для Е = 150 кэВ и 1ч(Е)

) 10 для Е <100 кэВ для детекторов 1 из Сн1(Те).

Таким образом, при а = 9 см завип2 симость = f (0) определяется в g0 и» диапазоне энергий 50-150 кэВ вторым членом в формуле (2).

Угол 0 определяют по формуле ц = arctic 1 — — (— — — 1) рад. (3) 35

» а nz (h n»

Оценка погрешности определения угла а/h в — — - ——

Г а .па 12

1+(— -(- — — 1)l (h и, х — — x

nz 40

ng (4)

45 рад.

При удельном энергоныпелении во

-6 2 всплеске в диапазоне (?0-2), 10 эрг/см и площади основания одного кристалла 70 см получим 0 = (-3 град, Я

Сцинтилляционный спектрометр гамма-излучения работает следующим образом.

Гамма-квант взаимодействует с одним из детекторов,1 (фиг.1), образуя световую вспышку, которая преобразуется в электрический импульс

-с длительностью около 10 с соответствующим фотоэлектрическим преобразонателем 6. 11ри этом гамма-квант не взаимодействует с пластичс ским с»»интиллятором охранных детекторов 2 и

5. Импульсы с ныходон фотозлектрических преобразователей 6, соответствующих детекторам 1, формируются дискриминаторами 8 (фиг.3), 11ри прохождении через охранные детекторы 2 и 5 заряженной частицы импульс, возникающий на выходе фотоэлектрических преобразователей охранных детекторов 2 и 5, формируется дискриминатором 9 и далее поступает на входы запрета блоков 10 антисовпадений . Таким образом, спектрометр принципиально регистрирует только нейтральные час— тицы, что уменьшает фон. Импульсы с выходов блоков 10 антисонпадений, возникшие при попадании гамма-кнан— тон н детекторе 1, поступают на входы мажоритарного блока 11 совпадений, имеющего кратность совпадений, равную, например, пяти. Это означает, что при поступлении импульсов на любые пять его входов из семи имеющихся блок

11 совпадений на выходе дает импульс, который далее поступает на регистрирующий блок. Если установить время разрешения мажоритарного блока 11

-6 совпадений равным, например 10 с, то гамма-кванты, попавшие в пределах этого времени в любые пять детекторов иэ семи, будут зарегистрированы.

Таким образом, можно регистрировать всплески гамма-излучения, сравнимые по длительности с временем выснечи6 нания сцинтиллятора (10 с). Импульсы с выходов блоков 10 антисовпадений поступают также на входы элемента ИЛИ 12 и на счетные входы счетчиков 19 импульсов. Выход элемента NlIH 12 соединен с входами временного анализатора 15 и всплесконой ячейки 1Ь, которая при наличии статистически значимого возрастания интенсивности гамма-квантов через триггер 18 запускает счетчики 19 импульсов, 11ри переполнении одного иэ счет.чиков 19 импульсов все счетчики импульсов останавливаются, так как ниходы переполнения счетчиков 19 через элемент ИПИ 14 соединены со входом сброса триггера 18. Таким образом, с выходов счетчиков 19 на регистрирующий блок записынаетс я инфор»»я— ция о колич естве гамма -квант(в, попавших на каждый из семи к риг— таллов 1 .

1392522

Используя формулу (3), можно определить направление прихода плоского фронта гамма-излучения (данная формула записана для зенитного угла, аналогично можно получить формулу и для азимутального угла).

Импульсы с выходов блоков 10 антисовпадений, относящихся к перифе2 В рийным детекторам 1 — 1, и дискрими-10 натора 9, относящегося к охранным детекторам 2 и 5, через элемент ИЛИ 13 поступают на вход запрета амплитудного анализатора 17. Импульсы с выхода фотоэлектрического преобразоваI теля 8, связанного с центральным кристаллом 1, поступают на информационный вход амплитудного анализатора 17, который осуществляет преобразование амплитуды этих импульсов 3) в цифровой код. Информация с выхода амплитудного анализатора 17 поступает на регистрирующий блок. Исполь2 эование периферийных детекторов 1

1 в качестве защитных антисовпаде- 25

1 ний для центрального детектора 1 улучшает спектрометрические харак( теристики центрального детектора 1 так как улучшается энергетическое разрешение посредством запрета событий, в которых часть энергии гаммакванта передается в периферийные детекторы 1 — 1, а также уменьшается

2 В фон бокового гамма-излучения, Для л случая (6 2 -5) призм, где и — на35 туральное число, вместо центрального

< детектора 1 используются просуммированные на линейном сумматоре сигналы с выходов фотоэлектрических пре,л образователей, просматривающих (3 2 — 40

5 ) центральных детекторов 1, вместо

2 В периферийных кристаллов 1 — 1 используются 3 ° 2 периферийных детекторов.

Использование изобретения обеспе- 45 чивает повышение чувствительности спектрометра эа счет увеличения активной площади для регистрации гаммаизлучения путем наращивания количества детекторов, виполненных в виде шестигранних призм нз неорганического

50 сцинтиллятора. Достижимая чувствие „ тельность измерений равна 3 10

2 эрг/см (для вспле55 сков с длительностью t), где S — площадь торцовой поверхности одного

2 детектора, см ; t — длительность всплеска, с; п — натуральное число.

Раздельная обработка сигналов от оптически несопряженных детекторов позволяет выделять всплески гамма-излучения, сравнимые по длительности с временем высвечивания сцинтиллятора °

Плотная упаковка оптически не сопряженных детекторов позволяет определять направление прихода плоского фронта гамма-излучения эа счет взаимного зкранирования детекторов, при этом исключается необходимость применения пассивного экранирующего вещества для получения анизотропной угловой чувствительности.

Кроме того, использование изобретения позволяет обеспечить компактность и технологичность конструкции.

Формула и э о 6 р е т е н и я

Сцинтилляционный спектрометр гамма-излучения, содержащий блок детектирования, состоящий из выполненных в виде кристаллов иэ неорганического сцинтиллятора m детекторов гамма-излучения и двух охранньи детекторов с соответствующим числом находящихся с ними в оптическом контакте фотоэлектронных преобразователей, m блоков антисовпадений, первый m-входовый элемент ИЛИ, временной анализатор, 1 всплесковую ячейку, триггер, счетчик импульсов, амплитудный анализа" тор, регистрирующий блок и m+1 дискриминаторов, m иэ которых подключены входами к выходам соответствующих фотоэлектронных преобразователей детекторов гамма-излучения и выходами к информативным входам соответствующих блоков антисовпадений и (ш+1)-й иэ которых подсоединен входом к выходам охранных детекторов, выходы блоков антисовпадений соединены с соответствующими входами первого ш-входового элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу всплесковой ячейки и через временной анализатор к первому входу регистрирующего блока,соединенного вторым входом с выходом амплитудного анализатора, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет увеличений активной поверхности для регистрации гамма-излучения и уменьшения фонового излучения, в него введены второй и третий m-входовие элементь» 1111И, m-1 счетчиков имнуль— сон и m-вхолоный мажоритарный блок совпадений, а m=(6 ° 2" — 5) детекторов гамма-излучения (и — натуральное

5 число) выполнены в виде плотно ссприкасаю»»»ихся гранями щестигранных призм, закрепленных в едином светозащитном корпусе, мажоритарный блок совпадений подключен выходом к третьему входу регистрирующего блока и входами к выходам соответствующих блоков антисовпадений и счетным входам соответствующих счетчиков имп1»льсов, которые подключены выходами к четвертой группе входов регистрируюmего блока, входами обнуления — к выходу триггера, а выходами переполпения — к соответствующим входам второго m-входового элеме»»та И31И, соедине»»»»ог о выходом с входом сброса триггера, и»»д»ормационний вход кото— рого подсоединен к выходу всплесковой ячейки, Аотоэлектроннь»й преобраэователь центрального детектора гамма-излучения подключен к и»»формационному входу амплитудного анализатора, вход запрета которого соединен с выходом третьего m-входового элемента HJIH, подсоединенного первыми (m- 1)-входами к выходам блоков антисовпадений, соответствующих периферийным детекторам гамма-излучения, и m-и входом к выходу (m+1)-го дискриминатора.

1392522

Фи@ Ф

Редактор А.Огар

Заказ 1888/51

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Рп и лейк лчн

Составитель В.Костюхин

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Шароши

Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5