Детектор слабого кратковременного фотонного излучения

 

Изобретение относится к технике регистрации фотонного излучения и может быть использовано в различных областях народного хозяйства для регистрации слабого кратковременного потока фотонов. Целью изобретения является повышение чувствительности и экспрессности. Детектоp содержит сцинтиллятор цилиндрической формы и соединенный с ним фотоэлектронный умножитель, помещенные в светонепроницаемый чехол. Толщина сцинтиллятора Н находится из уравнения , где r - радиус сцинтиллятора, см; N - число линий в спектре фотонов, μ_i - линейный коэффициент поглощения фотонов с энергией E_icм^-1; δ - параметр предварительно определяемый экспериментально, отн. ед., W_i - доля фотонов с энергией E_i в спектре регистрируемого излучения, отн.ед. Изобретение позволяет более чем в два раза увеличить экспрессность и в два раза уменьшить погрешность измерений. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к технике регистрации фотонного излучения и может быть использовано в различных областях народного хозяйства для регистрации кратковременного потока фотонов, а также в защите окружающей среды. В последнее время важность приобретают вопросы экологической чистоты. Особенное значение здесь имеет предотвращение возможного радиоактивного заражения местности, персонала и населения, а также надежного контроля за уже зараженными районами. Случайная или преднамеренная утечка даже незначительных количеств радиоактивных материалов может иметь самые серьезные последствия. Эффективным средством, препятствующим таким ситуациям, является физическая защита, основанная на регистрации, в основном фотонного излучения радиоактивных нуклидов. Задача состоит в регистрации очень малых дополнительных потоков фотонов на уровне фона за время нескольких секунд. Необходимо, чтобы любые кратковременные превышения потоков фотонов над фоном были надежно зарегистрированы. Известны и широко применяются для регистрации фотонов детекторы на основе сцинтилляторов. Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту является детектор со сцинтиллятором цилиндрический формы и с высокой эффективностью регистрации, соединенным фотоэлектронным умножителем. В этом детекторе используется сцинтиллятор толщиной, выбранной, исходя из стремления достичь возможно большей скорости счета при данной плотности потока фотонов, чтобы получить высокую чувствительность. То есть толщина сцинтитллятора определяется 100%-ной физической эффективностью регистрации фотонов в сцинтилляторе. С помощью такого детектора на основе сцинтиллятора Nal(Tl) диаметром 80 мм можно с вероятностью 0,999 зарегистрировать наличие источника фотонов ⁵⁷Co (4,0) + ¹¹³Sn (0,3) с потоком примерно 1·10⁵c^-1 на расстоянии 60 см за время 10 с при фоне 3·10⁵c^-1. (В скобках дана доля фотонов данного источника в общем спектре). Однако известный детектор не позволяет получить максимальную для данного сцинтиллятора чувствительность и экспрессность, так как при определении толщины сцинтиллятора не учитывается увеличение фона с ростом толщины сцинтиллятора. Целью изобретения является повышение чувствительности и экспрессности регистрации слабого кратковременного излучения фотонов. Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый детектор, в котором сцинтиллятор имеет толщину Н, определяемую как решение уравнения (1) где r радиус сцинтиллятора, см; N число линий в спектре фотонов; μ_i линейный коэффициент поглощения фотонов с энергией E_iсм ^-1; δ параметр, экспериментально определяемый предварительно, отн.ед. W_i доля фотонов с энергией E_i в спектре, отн.ед. На фиг.1 представлена схема предлагаемого детектора. Он содержит сцинтиллятор 1 цилиндрической формы и фотоэлектронный умножитель 2, которые помещены в чехол 3, выполненный из светонепроницаемого материала. Детектор работает следующим образом. Регистрируемое на уровне фона слабое кратковременное фотонное излучение попадает в сцинтиллятор цилиндрической формы 1 через верхнее его основание. Толщина сцинтиллятора определяется заранее из формулы (1). Часть энергии взаимодействия фотонов и вещества сцинтиллятора преобразуется в световые вспышки, которые регистрируются с помощью фотоэлектронного умножителя 2. Зная фон, по количеству импульсов судят о величине регистрируемого слабого кратковременного потока фотонов. Уравнение (1) получено при следующих теоретических предложениях; фон изотропен в пространстве, а эффективность его регистрации слабо зависит от толщины сцинтиллятора, и регистриpуемый поток фотонов является широким параллельным пучком. Минимальное время экспозиции, которое требуется для обнаружения потока фотонов при заданном уровне регистрации, уменьшается с ростом параметра Q Q s²/b, (2) где s скорость счета импульсов за вычетом фона b. Значение, обратное относительной погрешности, является параметров R, с ростом которого растет надежность регистрации потока фотонов. (3) где S число импульсов, соответствующих регистрируемым фотонам за время экспозиции Т; В число импульсов фона за то же время. Полагая, что физическая эффективность регистрации фотонов равна (1-exp(-μ_i)·H)) и учитывая упомянутые выше предположения, выражения (2) и (3) с точностью до коэффициента можно раскрыть как

Максимальное значение параметра Q будет определять толщину сцинтиллятора с помощью которого может быть достигнуто минимальное (для данного сцинтиллятора) время регистрации потока фотонов при заданной вероятности регистрации. Максимальное значение параметра R будет определять толщину сцинтиллятора, с помощью которого может быть достигнута максимальная вероятность регистрации при данном времени измерения. Условия максимума параметров Q и R определяются уравнениями

При исходных данных система (6)-(7) неразрешима относительно оптимальной толщины сцинтиллятора. Проведенные нами исследования показали, что для этого необходимо скорректировать исходные данные: в уравнения (4), (5) ввести параметр δ определяемый экспериментально и характеризующий зависимость регистрируемого фона от толщины сцинтиллятора. Дальнейший теоретический анализ и экспериментальная проверка полученных при этом уравнений привели к выводу, что при F_s≲ Φ_b значение оптимальной толщины сцинтиллятора в интервале энергий фотонов 0,06-10 МэВ может быть получено как решение уравнения (1). Для этого необходимо сначала экспериментально определить параметр δ Корректировка исходных данных и введение параметра d приводит к разрешимости задачи по отношению к оптимизации толщины сцинтиллятора. Неочевидность наличия параметра d который отсутствует в исходных выражениях (4) и (5) следует из того, что отличие d от 1 означает фактически, что при прочих равных условиях эффективность регистрации фоновых фотонов, попавших в сцинтиллятор через боковую поверхность, отличается от эффективности регистрации фоновых фотонов, попавших в сцинтиллятор через торцовую поверхность. Коэффициент d определяется экспериментально следующим образом. Для сцинтиллятора с выбранным или заданным радиусом получают зависимость счета фона В от толщины сцинтиллятора Н. При указанных выше предложениях эта зависимость будет линейной
B C₁ + C₂· H (8)
Коэффициенты C₁ и C₂ определяются с помощью регрессивного анализа. Отношение r· C₂/C₁ является искомым коэффициентом. В табл. 1 для полимера приведены результаты определения параметра d для сцинтиллятора Nal(Tl) диаметром 80 мм. Из табл.1 также видно, что зависимость фона от толщины сцинтиллятора в интервале 5 80 мм с высокой степенью точности линейна (коэффициент корреляции отличается от 1 всего на 0,06%). Получены экспериментальные и расчетные зависимости параметров Q и R от толщины кристалла Nal(Tl) диаметром 80 мм для различных источников фотонов. При этом отношение F_s/Φ_b приблизительно равно 0,3. На фиг.2 показана типичная зависимость параметра Q от толщины кристалла. Ход зависимостей параметра R почти полностью повторяет ход соответствующих зависимостей параметра Q. Разница расчетных (на чертеже квадрат с точкой) и экспериментальных (на чертеже круг с точкой) значений параметров Q и R и оптимальных толщин не превышает 13%
Эффективность регистрации, соответствующая оптимальной толщине, отличается от 100% и, как видно из табл.2, для данных источников изменяется от 75,0 до 94,6%
В табл.2 приведены значения отношения параметров Q и R, соответствующих оптимальной толщине кристалла и 100%-ной эффективности регистрации Q₁₀₀ и R₁₀₀. Как видно из табл.2, использование кристалла Nal(Tl) с оптимальной толщиной для регистрации фотонов данных источников позволяет более чем в три раза увеличить экспрессность и почти в два раза уменьшить погрешность измерений. Сравнивая с прототипом, можно сказать, что при том же фоне с той же самой вероятностью можно зарегистрировать источник ⁵⁷Co(0,4) + ¹¹³Sn(0,3) с потоком, в два раза меньшим 0,5·10⁵c^-1, за время 3 с на расстоянии 60 см. Использование данного детектора со сцинтиллятором Nal(Tl) диаметром 80 мм позволит в два раза увеличить чувствительность и в три раза экспрессность при контроле за передвижением, например, источника ⁵⁷Co(0,4) + ¹¹³Sn(0,3). Использование данного детектора при контроле за радиоактивным загрязнением местности данными нуклидами позволит в три раза уменьшить время получения более достоверной картины загрязнения.

Формула изобретения

Детектор слабого кратковременного фотонного излучения, содержащий сцинтиллятор цилиндрической формы и соединенный с ним фотоэлектронный умножитель, помещенные в светонепроницаемый чехол, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и экспрессности, толщина сцинтиллятора H выбрана из условия, задаваемого уравнением

где r радиус сцинтиллятора, см;
N число линий в спектре фотонов;
μ₁ линейный коэффициент поглощения фотонов с энергией Е₁, см^-1;
δ параметр, предварительно определяемый экспериментально, отн.ед. W₁ доля фотонов с энергией Е₁ в спектре регистрируемого излучения, отн. ед.

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

Дата прекращения действия патента: 17.10.2003

Извещение опубликовано: 20.10.2004        БИ: 29/2004

---