Детектор для регистрации ионизирующего излучения

 

Использование: для обнаружения и идентификации α-, β-, γ- протонного или рентгеновского излучения на фоне сопутствующего и требующего учета нейтронного излучения в системах технического радиационного контроля. Сущность изобретения: детектор содержит датчик и блок электронной обработки сигнала (БЭОС). Датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтиллятора (чувствительного к α-, β-, γ- протонному и рентгеновскому излучению и имеющего толщину, полностью поглощающую это излучение), световода и фотоэлектронного умножителя, причем световод выполнен из водородсодержащего сцинтиллирующего вещества, чувствительного к нейтронам. Блок электронной обработки сигналов содержит схему временной селекции, которая подсчитывает число импульсов от ионизирующего излучения и нейтронов, обеспечивая их раздельный и общий учет. 1 з.п. ф-лы.

Устройство относится к детекторам ядерных (α-, β-, γ -излучений), протонного или рентгеновского излучений, регистрируемых на фоне сопутствующего и требующего учета нейтронного излучения, и может быть использовано для обнаружения и идентификации различных ионизирующих излучений при наличии нейтронного излучения, особо для обнаружения и идентификации гамма-источников на фоне сопутствующего и требующего учета космического и земного нейтронного излучения в системах технического контроля, в частности в системах таможенного контроля.

Известные детекторы ядерных излучений содержат, как правило, датчик и блок электронной обработки сигналов [1-4] Например, селективный детектор нейтронов по патенту [2] содержит два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, в то время как другой чувствителен только к заряженным частицам; число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с этих датчиков, выделяемым с помощью разностной схемы электронного блока. Однако возможность применимости такого детектора для регистрации незаряженных частиц, в частности гамма-излучения, в патенте [2] не оговорена. Известный детектор [3] нескольких излучений включает два сцинтилляционных датчика с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой к низкоэнергетическому, и электронно-оптический блок регистрации, выделяющий сигналы от разных датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов. Такой детектор имеет ограниченные области применения, по данным [3] он пригоден для регистрации рентгеновского излучения с двумя различными энергиями.

Наиболее близким к заявленному является устройство, описанное в [4] которое представляет собой прибор для измерения нейтронов и гамма-лучей. Это устройство содержит датчик, в частности сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и электронную схему селекции (разделения) сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами. Однако такое устройство имеет весьма ограниченные области применения: любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронов и гамма-лучей в диапазоне энергий до 10 МэВ и выше. Если сцинтилляционный датчик выполнен из водородсодержащего, чувствительного к быстрым нейтронам материала, т.е. из материала с низким эффективным атомным номером, то такой датчик практически не чувствителен к высокоэнергетическому гамма-излучению в диапазоне 1-10 МэВ и выше. Если сцинтилляционный датчик выполнен из материала с высоким эффективным атомным номером, то будучи чувствительным к высокоэнергетическому гамма-излучению, он не будет регистрировать быстрые нейтроны. Таким образом, известное устройство [4] непригодно для одновременной регистрации высокоэнергетического (1-10 МэВ и выше) гамма-излучения и быстрых нейтронов.

Заявленное устройство содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также a-, β-, γ -излучениям, и световода, выполненного из органического водородосодержащего вещества на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, а блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от сцинтиллятора и световода. Сущность изобретения заключается в том, что световод датчика выполнен из сцинтиллирующего вещества, избирательно чувствительного к быстрым нейтронам. Сцинтилляционный кристалл BGO, чувствительный к протонному, рентгеновскому, а также a-, β-, γ -излучению, (включая высокоэнергетическое излучение 1-10 МэВ и выше), имеет толщину, достаточную для того, чтобы регистрируемое излучение поглощалось в нем полностью и не доходило бы до сцинтиллирующего световода, и находится в оптическом контакте со световодом-сцинтиллятором, выполненным из стильбена или из пластмассы (CH)_n, последний находится в оптическом контакте с окном фотоэлектронного умножителя, сигнал с которого поступает на блок электронной обработки сигналов.

Устройство работает в полях a-, β-, γ- протонного (p) или рентгеновского излучений на фоне сопутствующего (и требующего учета) нейтронного излучения следующим образом.

Под действием α-, β-, γ- протонного или рентгеновского излучения в сцинтилляционном кристалле BGO возникает световая вспышка с длиной волны излучения 480-505 нм и длительностью 300 нс, которая по световоду без особых потерь (потери<3%) поступает на фотокатод ФЭУ, создавая на выходе ФЭУ электрический импульс длительностью 300 нс. Толщина кристалла BGO выбирается такой (15-30 мм и более), чтобы регистрируемое им протонное, рентгеновское, а также α-, β- и γ- излучение (до 1-10 МэВ и выше) поглощалось в нем полностью и не доходило до световода. Сопутствующее и подлежащее учету нейтронное излучение, проходя без существенных потерь через первичный сцинтилляционный кристалл BGO (потери составляют<3-5%), попадает в сцинтилляционный световод из органического материала (стильбена или пластмассы (CH)_n) и вызывает в нем световую вспышку с длиной волны излучения 400-420 нм с длительностью до 2-3 нс (в 100-150 раз более короткую, чем длительность вспышки в BGO). Эта короткая световая вспышка, создаваемая нейтронами, поступает на фотокатод ФЭУ, создавая на выходе его электрический импульс длительностью 2-3 нс. Таким образом, когда частицы ( α-, β- протоны, γ или рентгеновское излучение и сопутствующее нейтронное излучение) пройдут через сцинтиллятор и сцинтиллирующий световод выходной сигнал ФЭУ будет иметь две компоненты: быструю (2-3 нс), соответствующую зарегистрированным нейтронам, и медленную (300 нс), соответствующую зарегистрированному a-, β-, γ- p- или рентгеновскому излучению. Такой двухкомпонентный выходной сигнал поступает в электронный блок обработки (на схему временной селекции), которая подсчитывает раздельно число импульсов (сигналов) от ионизирующего излучения и от нейтронов, обеспечивая их раздельный и общий учет.

Формула изобретения

1. Детектор для регистрации ионизирующего излучения на фоне нейтронного излучения, содержащий датчик и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что для регистрации протонного, рентгеновского, а также α-, β-, γ-ионизирующих излучений на фоне одновременно регистрируемого нейтронного излучения (быстрые нейтроны) датчик выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также α-, β-, γ-излучениям, и световода, выполненного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, а блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него от сцинтиллятора и световода.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сцинтилляционного криcталла, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также α-, β-, γ-излучениям, используют кристалл ортогерманата висмута Bi₄, Ge₃, O₁₂ (BGO), причем толщина кристалла BGO выбирается такой, чтобы регистрируемое им протонное, рентгеновское, а также α-, β-, γ-излучения поглощались в нем полностью и не доходили до световода.