Сцинтилляционный блок детектирования

 

Использование: в детекторах ионизирующего излучения, эксплуатирующихся в условиях повышенных механических и термических воздействий и выполненных на основе неорганических сцинтилляторов. Сущность изобретения: сцинтилляционный блок детектирования содержит контейнер с размещенными в нем реперным источником излучения, входным окном сцинтиллятора и сцинтиллятором, оптически соединенным с ФЭУ. Блок детектирования дополнительно содержит амортизирующий элемент со светоотражающими свойствами оболочки вокруг сцинтиллятора, расположенный со стороны входного окна сцинтиллятора. В качестве реперного источника излучения использован гамма-источник Сs¹³⁷ активностью 7·10³ -1·10⁴ Бк, расположенный на амортизирующей элементе. Указанная конструкция обеспечивает стабилизацию энергетического диапазона блока в процессе эксплуатации. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике и может быть использовано при создании конструкций детекторов ионизирующего излучения, эксплуатирующихся в условиях повышенных механических и термических воздействий и выполненных на основе неорганических сцинтилляторов.

При проведении спектрометрического гамма-каротажа в глубоких скважинах на спектрометр воздействуют большие перепады температур от минус 40^oC на поверхности при подготовке прибора к работе до 200 250^oС на забое скважины. Для обеспечения стабильности шкалы спектрометра в этих условиях применяют автоматическую стабилизацию шкалы с помощью реперного источника радиоактивного излучения известной энергии.

Известно использование реперного альфа-источника (1) в сцинтиблоках, работоспособных при температуре от -70^oС до +70^oC, содержащих оптически сочлененные щелочногаллоидный сцинтиллятор и ФЭУ, помещенные в контейнер. При этом источник представляет собой накладной диск, изготовленный из нержавеющей стали.

Хотя известная конструкция работоспособна в широком интервале (особенно отрицательных) температур, она не выдерживает механических нагрузок, т.к. накладной жесткий источник, вмонтированный в крышку отражателя, при вибрациях и ударах перемещается и нарушает поверхность сцинтиллятора. Кроме того, эффективность регистрации α -частиц с увеличением температуры ухудшается, т. к. разрешение a -частиц существенно зависит от качества поверхности кристалла и подложки источника, а в них при нагреве происходят изменения. Из-за самопоглощения a -излучения в источнике невозможно получить активность 10⁴ БК в условиях ограниченного по диаметру скважинного прибора.

Известно использование реперного нейтронного источника излучения для радиоактивного каротажа в сцинтиблоках (2), содержащих контейнер с размещенными в нем реперным источником излучения, входным окном сцинтиллятора и сцинтиллятором, оптически соединенным с ФЭУ. Это решение выбрано в качестве прототипа.

Основным недостатком указанного решения является то, что он не обеспечивает требуемую точность термостабилизации, т.к. используемый в нем реперный источник излучения является импульсным и зависит от изменения температуры. Кроме того, в прототипе использована сложная электронная система разделения, что также ненадежно и дорого.

В основу изобретения поставлена задача стабилизации энергетического диапазона спектрометра в процессе эксплуатации.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в сцинтилляционном блоке детектирования, содержащем контейнер с размещенными в нем реперным источником излучения, входным окном сцинтиллятора и сцинтиллятором, оптически соединенным с ФЭУ, согласно изобретению, блок детектирования дополнительно содержит амортизирующий элемент со светоотражающими свойствами оболочки вокруг сцинтиллятора, расположенный со стороны входного окна сцинтиллятора, а в качестве реперного источника излучения использован гамма-источник Cs¹³⁷ активностью 7·10³ 1·10⁴ Бк, расположенный на амортизирующем элементе.

Использование Cs¹³⁷ в качестве реперного источника позволяет более точно стабилизировать шкалу спектрометра, если измерения ведутся выше энергии реперного источника (600 кэВ).

Для того, чтобы обеспечить надежную работу электронной схемы автоматического регулирования коэффициента усиления усилительного тракта (ФЭУ, линейный усилитель), реперное излучение должно иметь определенную интенсивность. Необходимая минимальная интенсивность определяется тем, что фотопик реперного излучения четко выделился на фоне излучения естественно-радиоактивных элементов максимальной концентрации для исследуемых разрезов. А максимальная интенсивность, с одной стороны, ограничивается минимально значимой активностью (для Cs¹³⁷ 10⁵ Бк) для работы без специального разрешения, с другой стороны, разрешающим временем детектор - ФЭУ усилитель. Из-за конечной величины разрешающего времени этого при больших активностях (~10⁵ Бк) в области энергии в два раза выше реперного источника (~1,3 МэВ) появляется значимый пик (см. фиг. 1, кривая 2), что создает большой фон в интервале измерения интенсивности излучения К-40. Это затрудняет настройку аппаратуры, вносит большие погрешности при определении концентрации элементов. Приемлемая активность реперного источника, при котором схема автоматической регулировки шкалы спектрометра работает при концентрациях ЕРЭ UnTh о 150 ррm, К до 15% и вклад пика двойной энергии реперного источника в области измерения излучения К-40 становится незначительной (см. фиг.2, кривая 2). Основной характеристикой сцинтиблока является амплитудное разрешение, как правило, измеренное по пику полного поглощения гамма-излучения Cs¹³⁷. При активностях источника >> 10⁴ Бк в аппаратуре нарастают просчеты, происходит как бы размывание пика, т.е. ухудшается энергетическое разрешение.

На стабильность сцинтилляционных характеристик сцинтиблока влияет взаиморасположение его составных частей и элементов. Существенная роль в этом отводится амортизаторам. В качестве амортизатора со стороны выходного окна сцинтиллятора зачастую служит элемент оптической связи, а со стороны входного окна эластичный элемент, обладающий такими же свойствами, как и оболочка вокруг сциинтиллятора.

На фиг. 3 приведен сцинтиблок, выполненный согласно изобретению.

Блок состоит из сцинтиллятора 1, сочлененного при помощи полиорганосилоксанового элемента оптической связи 2 с фотоэлектронным умножителем 3. Сборка фиксируется в контейнере (термостате) 4 при помощи амортизирующего узла 5 из кремнийорганического каучука с порошкообразным наполнителем (MgO, Al₂O₃ и др.), содержащего реперный источник Cs¹³⁷ 6. При этом амортизирующий элемент имеет такие же светоотражающие свойства, как и оболочка вокруг сцинтиллятора. Сцинтилляторокружен фторопластовой светоотражающей оболочкой 7, а ФЭУ через амортизатор 8 из К -68 фиксируется фторопластовой крышкой теплопоглотителя (из сплава Вуда), закрепленного в термостате 4, изготовленном из стали Х18Н10Т.

Указанный блок предназначен для регистрации в скважине гамма-излучения различных энергий естественно-радиоактивных элементов тория, урана, калия, соответственно области энергий 1,4; 1,76 и 2,62 МэВ. Действие неорганического сцинтиллятора основано на явлении, которое описывается следующим образом: происходит потеря энергии ионизирующего излучения на возбуждении атомов и образования вторичных квазичастиц. Происходит процесс передачи энергии центром свечения, перевод их в возбужденное состояние и релаксация центров свечения с испусканием света. Возникший свет пропорционален ионизирующей энергии.

В данной конструкции совмещение реперного источника найденной интенсивности с амортизирующим элементом позволяет создать постоянную, не зависимую от условия эксплуатации точку отсчета на диаграмме спектра регистрируемых энергий, лежащих выше энергии репера.

Таким образом, гамма-излучение, попадая в сцинтиллятор 1, вызывает в нем вспышку света, попадающую в ФЭУ, на выходе которого снимается электрический сигнал, обрабатываемый соответствующей электронной схемой.

Был изготовлен сцинтилляционный блок детектирования типа СБН 10 на основе сцинтиллятора CsI(Na) размером ⊘ 54 х 250 мм, в котором производилась поочередная замена в амортизирующем узле активности. Результаты представлены в таблице.

Таким образом, использование реперного источника установленной активности позволяет стабилизировать работу сцинтилляционного блока в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

Сцинтилляционный блок детектирования, содержащий контейнер с размещенными в нем реперным источником излучения, входным окном сцинтиллятора и сцинтиллятором, оптически соединенным с ФЭУ, отличающийся тем, что блок дополнительно содержит амортизирующий элемент со светоотражающими свойствами оболочки вокруг сцинтиллятора, расположенный со стороны входного окна сцинтиллятора, а в качестве реперного источника излучения использован гамма-источник С_s¹³⁷ активностью 7·10³ - 1·10⁴ Бк, расположенный на амортизирующем элементе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4