Детектор черенковского излучения

 

Использование: обнаружение и регистрация радиоактивности в водной среде в условиях высоких уровней внешнего светового фона. Сущность изобретения: детектор черенковского излучения включает фоточувствительный элемент фотоприемника, чувствительный в ближней ультрафиолетовой области спектра, и солнечно-слепой фильтр, расположенный на входе фоточувствительного элемента. Солнечно-слепой фильтр состоит из изолированного от воздуха слоя калия на прозрачной подложке, стабилизирующего слоя и интерференционного фильтра. Спектральный коэффициент пропускания солнечно-слепого фильтра, удовлетворяет условию: Φ_ф(λ) - плотность потока фотонов естественного светового фона; Φ_э(λ) - плотность потока фотонов черенковского излучения; ε(λ) - спектральная чувствительность фоточувствительного элемента, в относительных единицах; λ_гр - граничная длина волны, определяемая из условия Φ_э(λ_гр) = Φ_ф(λ_гр). 1 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 табл.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к системам обнаружения источников ионизирующих излучений и радиационного контроля, основанным на регистрации черенковского излучения, возникающего при движении заряженной частицы в прозрачной диэлектрической среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. В частности, изобретение относится к системам обнаружения и контроля уровней радиоактивности, локализованной в водной среде. Изобретение также может быть использовано для систем контроля фактического наличия отработанного ядерного топлива, хранящегося в бассейнах выдержки.

В настоящее время для обнаружения и регистрации радиоактивности в конденсированных средах (в частности, в воде) широко применяются сцинтилляционные детекторы [1] Однако применение их в системах обнаружения низких уровней излучения требует использования большого числа сцинтилляторов для достижения, требуемой чувствительности, что резко увеличивает вес, габариты и стоимость таких систем. Поэтому вместо традиционных сцинтилляционных детекторов, например, в системах радиационного контроля или исследования акваторий (т.е. в погружных системах) предпочтительно использовать детекторы черенковского излучения. Такие детекторы имеют меньшие габариты и во много раз дешевле. Действие таких детекторов основано на том, что область спектральной чувствительности фотоприемника детектора лежит в спектральной области черенковского свечения, возникающего в результате взаимодействия регистрируемого ионизирующего излучения со средой, в которой оно распространяется, и, поэтому на входе детектора не требуется преобразователь (сцинтиллятор). Однако такой простой вариант обладает рядом недостатков, ограничивающих его применение.

Известен погружной детектор черенковского излучения, построенный на основе фоточувствительного элемента, а именно фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) с золотым фотокатодом, чувствительного в ультрафиолетовой области (УФ) спектра [2] Этот детектор предназначен для контроля мощности реактора бассейнового типа по черенковскому свечению, возбуждаемому вторичными электронами, возникающими при взаимодействии мгновенного реакторного гамма-излучения с водой.

Основным недостатком аналога является низкая квантовая эффективность золотого фотокатода (0,1) и, как следствие, низкая пороговая чувствительность, что не позволяет уверенно обнаруживать уровни радиоактивности в водных средах ниже 10^-7 Ки/л по черенковскому излучению.

Известно устройство регистрации радиоактивности по черенковскому излучению, частично преодолевающее указанные выше недостатки [3] прототип. Такое устройство включает в себя фоточувствительный элемент (в частности, усилитель яркости изображения УЯИ), с чувствительностью в ближней УФ области спектра 150-350 нм (фотокатод Cs₂Te на окне MgF₂), и расположенный на входе УЯИ оптический солнечно-слепой фильтр из стекла UG-11 [3] Фильтр имеет высокий коэффициент пропускания; τ при l 250-350 нм (t 0,25-0,75), а в области l 220-250 нм коэффициент пропускания очень низкий ( t <0,001-0,03). Такой детектор имеет спектральную область чувствительности в полосе 250-350 нм. Использование Cs₂Te фотокатода позволило по сравнению с аналогом увеличить чувствительность детектора в УФ области спектра на несколько порядков. Однако несмотря на малую чувствительность этого фотокатода в видимой области спектра (чувствительность в области 400-500 нм на 3-4 порядка ниже, чем при 250 нм) сигнал от внешнего искусственного освещения может быть больше, чем от черенковского излучения. В связи с этим наличие солнечно-слепого фильтра с полосой пропускания 250-350 нм позволяет ослабить влияние внешнего освещения и увеличить пороговую чувствительность детектора радиоактивности.

Однако обнаружить в водной среде ультранизкие (≈400 Бк/м³ или 10^-11 Ки/л) концентрации радиоактивности по черенковскому излучению не удается из-за высоких уровней естественного светового фона. Наиболее мощным источником естественного светового фона является атмосферный свет, интенсивность которого в поверхностных водах океана (до 200 м) на много порядков превосходит уровень черенковского излучения не только в видимой, но и в рабочей (250-350 нм) области спектра. Существенной помехой при регистрации черенковского излучения в поверхностных слоях морской воды в ночное время является биолюминесценция. Спектральные характеристики свечения морских биолюминесцентов мало отличаются друг от друга и имеют максимумы в районе 450-550 нм и полуширины 50-100 нм. Еще одним источником фона является природный радиоактивный элемент калий-40. Световой поток, возникающий вследствие присутствия в морской воде калия-40, является черенковским излучением, составляющим неустранимый естественный световой фон для искомого (детектируемого) излучения.

Известны ультрафиолетовые фильтры, которые могут быть использованы в детекторе черенковского излучения.

Так известны ультрафиолетовые стекла УФС-1 и УФС-5, которые при толщине 8-10 мм существенно поглощают видимое излучение до длин волн l 650 нм, однако в области l 220-240 нм они практически непрозрачны [4] Фильтры из этих стекол можно использовать при регистрации черенковского излучения в темное ночное время при наличии биолюминесценции. В дневное время эти фильтры использовать нецелесообразно, так как интенсивность излучения естественного светового фона, прошедшего через такой фильтр, будет значительно превышать интенсивность черенковского излучения, что не позволит обеспечить повышение порога чувствительности детектора, предназначенного для работы в водной среде в дневное время.

Известно [5, 6] что для выделения ультрафиолетовой части спектра из солнечного излучения, наилучший эффект дает использование пленок калия, однако конструкции разработанных фильтров либо не обеспечивают долговечности эксплуатации, либо имеют неравномерный слой калия по толщине.

Известен ультрафиолетовый полосовой фильтр из щелочных металлов, в котором решены эти проблемы [7] Щелочно-металлический фильтр включает в себя слой щелочного металла, расположенный на прозрачной подложке (из MgF₂) в вакууме, прозрачную пластину (из MgF₂), индиевое кольцо, герметично соединяющее их, средство стабилизации поверхности щелочного металла (слой Bi толщиной 5-10 ).

Однако в таких фильтрах даже использование калиевого слоя не позволяет в достаточной мере подавить естественный световой фон при работе в верхних слоях водных сред в дневное время.

Результат, который позволит достичь изобретение повысить порог чувствительности детектора черенковского излучения при обнаружении и регистрации радиоактивности в водной среде в условиях высоких уровней внешнего светового фона.

Сущность изобретения заключается в том, что в детекторе черенковского излучения, включающем фоточувствительный элемент, чувствительный в ближней ультрафиолетовой области спектра, и расположенный на входе фоточувствительного элемента солнечно-слепой фильтр, в отличие от известного солнечно-слепой фильтр состоит из изолированного от воздуха слоя калия на прозрачной подложке, стабилизирующего слоя и интерференционного фильтра, а спектральный коэффициент пропускания солнечно-слепого фильтра, удовлетворяет условию Φ_ф(λ) плотность потока фотонов естественного светового фона; Φ_э(λ) плотность потока фотонов черенковского излучения; ε(λ) спектральная чувствительность фоточувствительного элемента в относительных единицах;
λ_гр граничная длина волны, определяемая из условия
Φ_э(λ_гр) = Φ_ф(λ_гр) ;
При этом в детекторе черенковского излучения слой калия имеет толщину d_к, при которой для излучения с длиной волны λ 220-270 нм коэффициент пропускания t_к ≥ 0,05, а для λ 600 нм t_{к u} ≅ 10^-8 кроме того, дополнительный интерференционный фильтр содержит в зависимости от толщины слоя калия не менее двух и не более пяти отрезающих фильтров (I), (II), (III), (IV), (V), каждый из которых представляет группу из четного числа слоев и имеет следующую структуру:
ABH ABH BH BH BO, 5H,
где A 1-1,2;
B слой из материала, прозрачного в рабочей области спектра, с показателем преломления n_B= 2,15-2,2;
H слой из материала, прозрачного в рабочей области спектра, с показателем преломления n_H= 1,45-1,46.

При этом толщина слоев h и их число N в группах выбирают из условий

где толщина слоев h_B и h_H c показателями преломления n_B и n_H в группах (I), (II), (III), (IV), (V) соответственно, а отсчет слоев ведут от поверхности, на которую нанесена группа.

Выполнение условий (1) и (2) обеспечивает требуемый перепад в спектральной чувствительности детектора при переходе от λ_гр к λ 600 нм.

На фиг. 1 представлено спектральное распределение фотонов в относительных единицах: 1 черенковского излучения [2] 2 прямой солнечной радиации на уровне моря [8] на фиг. 2 спектральное распределение фотонов в абсолютных единицах для условий естественного фона в морской воде: 3 составляющая фона [Φ_э(λ)], обусловленная черенковским излучением, возникающим за счет естественного радионуклида калия-40, со средней концентрацией 11 кБк/м³ (3·10^-10 Ки/л); 4 составляющая фона [Φ_ф(λ)], соответствующая атмосферному световому потоку на глубине 50 м; на фиг. 3 относительные коэффициенты пропускания: 5 оптического фильтра, используемого в прототипе; 6 фильтра, соответствующего расчету по обычной формуле; 7 фильтра τ_o(λ) соответствующего условиям настоящего изобретения; на фиг. 4 спектральные коэффициенты пропускания в относительных единицах для пленок калия разной толщины d_к=1000 8, d_к=6000 9, d_к= 8000 - 10, d_к= 10000 11, d_к=12000 12 и солнечно-слепого фильтра, удовлетворяющего условиям (1) и (2) кривая 7, фильтра прототипа - кривая 5; на фиг. 5 спектральные коэффициенты пропускания отрезающих фильтров с разной структурой и состоящих из 22 слоев, рассчитанных для λ 310 нм: 13 0,8BH 0,8BH BH BH B0,5H; 14 BH BH BH BH В0,5Н; 15 - 1,2BH 1,2BH BH BH B0,5H; 16 1,4BH 1,4BH BH BH B0,5H; на фиг. 6 - спектральные коэффициенты пропускания солнечно-слепых фильтров, включающих слои калия с толщинами d₁=12000 17, d₂= 10000 18, d₃=6000 19 и соответствующие им дополнительные интерференционные фильтры; на фиг. 7 спектральные коэффициенты пропускания солнечно-слепого фильтра, содержащего пленку калия с толщиной d₄=8000 и дополнительные отрезающие фильтры с различным числом слоев 20, 21 и 22; на фиг. 8 структурная схема детектора черенковского излучения: 23 прочная капсула, 24 входное окно, 25 солнечно-слепой ФЭУ, 26 солнечно-слепой фильтр, 27 модуль включения ФЭУ, 28 модуль высоковольтного преобразователя для питания ФЭУ, 29 модуль усиления и формирования электронного сигнала, 30 и 31 разъемы для подсоединения низковольтного питания и снятия сигнала, 32 - ФЭУ-170 с TeRb фотокатодом, 33 черенковское излучение, 34 водная среда, 35 солнечное излучение, 36 биолюминесцентное излучение; на фиг. 9 - спектральная чувствительность TeRb фотокатода ФЭУ-170; на фиг. 10 - конструкция одного из вариантов солнечно-слепого фильтра с расположением интерференционного фильтра на внешней поверхности входного окна: 38 слой калия, 39 стабилизирующий слой, 40 прозрачная подложка, 41 прозрачное входное окно, 42) интерференционный фильтр, 43 индиевое кольцо, 44 - вакуум; на фиг. 11 вариант солнечно-слепого фильтра с расположением интерференционного фильтра на внутренней поверхности входного окна; на фиг. 12 конструкция солнечно-слепого фильтра с интерференционным фильтром на отдельном диске 45, где 46 слой клея, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра; на фиг. 13 конструкция солнечно-слепого фильтра без входного окна с защитной пленкой 47 и интерференционным фильтром, изготовленным на отдельном диске; на фиг. 14 спектральная чувствительность детектора черенковского излучения на основе ФЭУ-170 и солнечно-слепого фильтра, включающего слой калия с d_к=8000 .

Сущность изобретения раскрывается при рассмотрении характеристик, приведенных на фиг. 1 3.

На фиг. 1 представлены в относительных единицах спектральные распределения:
1 черенковского излучения [2]
2 прямой солнечной радиации на уровне моря [8]
На фиг. 2 приведены для условий естественного светового фона в дневное время в морской воде спектральные характеристики:
3 составляющая фона [Φ_э(λ)], обусловленная черенковским излучением, возникающим за счет неизбежно присутствующего в морской воде естественного радионуклида калия-40 со средней концентрацией 11 кБк/м³ (3·10^-10 Ки/л);
4 составляющая фона соответствующая атмосферному световому потоку на глубине 50 м.

На фиг. 3 приведены относительные коэффициенты пропускания:
5 оптического фильтра, используемого в прототипе;
6 фильтра, соответствующего условию

7 фильтра, соответствующего условиям (1) и (2) настоящего изобретения (характеристика которого обозначена τ_o(λ)).
Кривые 3 и 4 на фиг. 2 получены из соответствующих спектров 1 и 2 фиг. 1 на основании расчетов с использованием эмпирических коэффициентов поглощения и рассеяния в морской воде [9] При этом фоновая характеристика 4 (фиг. 2) соответствует наиболее неблагоприятным реальным условиям задачи, а именно поверхностному слою океана и максимальному интегральному значению плотности потока солнечной радиации на уровне моря 10¹⁶ фотон/см²с в диапазоне 240-600 нм.

Из сопоставления приведенных на фиг. 2 характеристик видно, что потоки солнечного излучения [Φ_ф(λ), кр.4] резко возрастают (на много порядков) с переходом от близкой УФ области к синей части спектра, тогда как спектр черенковского свечения [Φ_э(λ), кр.3] представляет собой широкий максимум, относительно малый по величине. Если для таких условий фона выбрать фильтр с характеристикой пропускания [кр.6, фиг. 3] рассчитанной по обычному правилу (8), применяемому для решения подобных задач [10] то это приведет к тому, что интегральные значения потоков солнечного света после прохождения фильтра будут в десятки раз больше, чем интегральные значения черенковского света от излучения калия-40. В этом случае при регистрации черенковского излучения на естественном световом фоне чувствительность такого прибора будет в несколько раз меньше чувствительности "идеального" детектора, который абсолютно не чувствителен к солнечному свету в области λ > λ_гр.
Таким образом, известные условия выбора фильтров для рассматриваемых детекторов не обеспечивают требуемого подавления светового фона в верхних слоях морской воды, что не позволяет повысить пороговую чувствительность рассматриваемых детекторов.

Задача решается тогда, когда в детекторе черенковского излучения используется солнечно-слепой фильтр, имеющий спектральную характеристику пропускания, соответствующую условиям (1) и (2).

Условие (1) получено, во-первых, исходя из требования минимальности теряемого при фильтрации эффекта [Φ_э(λ)], а, во-вторых, минимизацией дивергенции Кульбака, которая в нашем случае является мерой трудности различения гипотезы о присутствии в световом фоне после прохождения фильтра компоненты, соответствующей солнечному свету [Φ_ф(λ)], и гипотезы об ее отсутствии в пользу первой. При этом в отличие от традиционно используемых характеристик фильтров в них вводится коэффициент К, что обеспечивает удовлетворение дополнительного требования, заключающегося в том, чтобы интегральные значения потоков атмосферного света (или биолюминесценции), прошедшего через такой фильтр, были не выделимы на фоне статистических флуктуаций интегральных значений черенковского света от калия-40 после данного фильтра. Этот коэффициент определяется условием (2).

Выполнение условий (1) и (2) обеспечивает достижение технического эффекта: повышение пороговой чувствительности примерно в 10³ раз в сравнении с прототипом и в 6 раз в сравнении со случаем использования фильтра, соответствующего правилу (3).

Соотношения (1) и (2) определяют для λ > λ_гр область, внутри которой должны располагаться характеристики спектрального коэффициента пропускания солнечно-слепых фильтров для детектора черенковского излучения. Характеристика τ_o(λ) ограничивает эту область сверху. (При λ > λ_гр значения коэффициента пропускания могут быть сколь угодно малы).

В заявляемом детекторе использование солнечно-слепого фильтра, сочетающего слой калия определенной толщины с интерференционным фильтром определенной структуры, обеспечивает требуемый перепад в спектральной чувствительности детектора и характеристики такого фильтра соответствуют условиям (1) и (2).

Толщина слоя калия определяется следующими соображениями: во-первых, толщина слоя калия должна быть такой, чтобы существенно не снижать пороговую чувствительность детектора в рабочей области спектра при Δλ 220 270 нм.

Пороговая чувствительность детектора определяется известным соотношением [11]

где N_ф скорость счета фотонов фона, имп/с;
t время измерений, с;
р чувствительность детектора для данного радионуклида, имп/с/Ки/л.

Уменьшение коэффициента пропускания фильтра в рабочей области спектра, естественно, приведет к уменьшению пороговой чувствительности детектора. Однако, если принять во внимание, что N_ф и p одинаковым образом зависят от коэффициента пропускания фильтра (τ_ф), то исходя из приведенного выше соотношения (9) следует, что пороговая чувствительность q будет изменяться значительно медленнее (примерно как корень квадратный), чем изменение коэффициента τ_ф. Так, например, при уменьшении ( τ_ф в 20 раз, т.е. от τ_ф 1 до τ_ф 0,05, q ухудшится примерно в 5 раз.

При дальнейшем снижении τ_ф, ниже 0.05 в области Δλ 220 270 нм полезный сигнал уменьшается до уровня шумов электронной части детектора черенковского излучения. Поэтому толщина пленки должна быть такой, чтобы в диапазоне Dl 220 270 нм t_ф ≥ 0,05. Этому условию соответствует слой калия с d_к≅ 12000
Во-вторых, одна пленка калия не дает нам нужного перепада в спектральной чувствительности детектора, что видно из фиг. 4, на которой приведены в относительных единицах спектральные коэффициенты пропускания фильтра, соответствующего условиям (1) и (2) τ_o(λ) (кривая 7), и пленок калия разной толщины: кривая 8 для d_к=4000 кривая 9 для d_к=6000 кривая 10 для d_к=8000 кривая 11 для d_к=10000 кривая 12 для d_к=12000
Сравнение кривой 12 с кривой 7 показало, что при λ > 380 нм кривая 12 удовлетворяет условиям (1) и (2), а в диапазоне Dl 270-380 нм она расположена выше кривой t_o(λ), т.е. не соответствует области допустимых значений. Сравнение кривых 9-11 спектрального коэффициента пропускания для слоев калия меньшей толщины с кривой 7 показывает, что по мере уменьшения толщины диапазон длин волн, в котором они не удовлетворяют условиям (1) и (2), расширяется. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо дополнительно ввести интерференционный фильтр, состоящий из нескольких отрезающих фильтров. Этот интерференционный фильтр в области Δλ 220-270 нм не должен иметь вторичного интерференционного минимума, так как наличие такого минимума приведет к уменьшению полезного сигнала в рабочей области детектора. Определено, что интерференционные фильтры, удовлетворяющие этому требованию, имеют основной минимум при l < 600 нм. Установлено, что сочетание такого фильтра со слоем калия для удовлетворения условий (1), (2) возможно при d_к, для которых t_к ≅ 10^-8 при λ 600 нм. Наименьшая толщина слоя калия, которая удовлетворяет этому требованию, имеет значение d_к 6000
В зависимости от толщины слоя калия число отрезающих фильтров должно быть не менее двух и не более пяти. Такое количество обусловлено шириной спектральной области, в которой спектральный коэффициент пропускания калиевой пленки не удовлетворяет условиям (1) и (2). По мере уменьшения толщины пленки калия от максимальной d_к=12000 к минимальной d_к=6000 область Δλ, в которой не удовлетворяются условия (1) и (2), увеличивается от Dl 110 нм до Dl 320 нм.

Один отрезающий фильтр не обеспечивает получения нужной характеристики, так как ширина интерференционного минимума одного отрезающего фильтра ограничена и недостаточна. Поэтому отрезающих фильтров должно быть не меньше двух. Оказалось, что для получения нужного результата во всем диапазоне d_к достаточно не более пяти отрезающих интерференционных фильтров, каждый из которых представляет собой группу из четного числа слоев следующей структуры: ABH ABH BH BH B0,5H, при этом оптическая толщина слоев соответствует условиям (3)-(7).

Структура отрезающих фильтров с четным числом слоев и последним слоем, имеющим оптическую толщину в два раза меньше, чем все слои с низким показателем преломления, позволяет уменьшить глубину побочных минимумов в области прозрачности фильтра, расположенной в коротковолновой части спектра, относительно основного интерференционного минимума отрезающего фильтра [12]
Экспериментально определенные пределы значений коэффициента A в первых двух слоях с высоким показателем преломления обуславливают более полную компенсацию побочных минимумов спектрального коэффициента пропускания, расположенных в рабочей области спектра детектора черенковского излучения.

Это иллюстрируется фиг. 5, на которой приведены спектральные коэффициенты пропускания отрезающих фильтров, у которых основной интерференционный минимум расположен при l 310 нм, содержащих по 22 слоя и имеющих следующие структуры: кривая 13 0,8BH 0,8BH BH BH B0,5H; кривая 14 BH BH BH BH B0,5H: кривая 15 1,2BH 1,2BH BH BH B0,5H: кривая 16 1,4BH 1,4BH BH BH B0,5H. Видно, что характеристики отрезающих фильтров с коэффициентом A=1 и A=1,2 имеют наименьшую глубину побочных минимумов.

Длины волн, определяющие оптические толщины слоев, формирующих отрезающие фильтры, установлены опытным путем: для группы I λ^I=310 нм: для группы II λ^II= 335 нм; для группы III λ^III=380 нм; для группы IV λ^IV=440 нм: для группы V λ^V=520 нм. Эти длины волн позволяют определять оптические толщины отрезающих фильтров, перекрывающих всю область спектра Dl в которой коэффициент пропускания пленок калия не удовлетворяет условию (1) и (2). Если оптическую толщину слоев группы I определять по λ^I < 310 нм, то в характеристике спектрального пропускания отрезающего фильтра основной интерференционный минимум сдвинется в коротковолновую область спектра, что приведет к уменьшению его коэффициента пропускания в рабочей области спектра, следовательно, и к ухудшению пороговой чувствительности детектора черенковского излучения. В случае λ^I > 310 нм основной интерференционный минимум переместится в область более длинных волн, т. е. область прозрачности отрезающего фильтра расширится, что приведет к увеличению влияния солнечного излучения и к ухудшению пороговой чувствительности детектора черенковского излучения.

При увеличении значений длин волн λ^II, λ^III, λ^IV, λ^V интерференционные минимумы в характеристиках спектрального коэффициента пропускания соответствующих отрезающих фильтров сдвинутся в более длинноволновую область спектра и в результате не будет обеспечено полное перекрытие области (Δλ)_o, что может привести к образованию участка спектра, в котором коэффициент пропускания дополнительного фильтра будет высоким. В результате этого солнечное излучение будет проникать через такой фильтр и ухудшится пороговая чувствительность детектора черенковского излучения. При уменьшении значений длин волн λ^II, λ^III, λ^IV, λ^V потребуется большее число групп слоев для формирования отрезающих фильтров, обеспечивающих перекрытие всей области (Δλ)_o, что нецелесообразно.

Число групп слоев, формирующих отрезающие фильтры, и число слоев в них N зависят от толщины пленок калия (d_к). Опытным путем определено, что:

Из представленных формул следует, что, например, калиевая пленка с толщиной d_к= 12000 должна быть дополнена фильтром, состоящим из двух отрезающих фильтров. Действительно:
N^I ≥ 22;
N^II ≥ 14, т.к. N^II=26-12000/1000=26-12=14;
N^III=0, т.к. N^III=48-12000/250=48-48=0;
N^IV=0, т.к. N^IV=80-12000/125=80-96 < 0, что для числа слоев не имеет физического смысла;
N^V=0, т.к. N^V=78-12000/111,1=78-108 < 0.

Пленка калия с толщиной d_к=9000 должна быть дополнена четырьмя отрезающими фильтрами с числом слоев:
N^I=22;
N^II= 18, т. к. N^II=26-9000/1000=26-9=17, однако число слоев должно быть четным, поэтому прибавляем один слой:
N^III=12, т.к. N^III=48-9000/250=48-36=12;
N^IV=8, т.к. N^IV=80-9000/125=80-72=8;
N^V=0, т.к. N^V=78-9000/111,1=78-81 < 0.

Пленка калия с толщиной d_к=8000 должна быть дополнена пятью отрезающими фильтрами с числом слоев: N^I 22; N^II 18; N^III 16; N^IV 16; N^V 6.

На фиг. 6 кривыми 17, 18, 19 и на фиг. 7 кривой 20 представлены характеристики спектрального коэффициента пропускания заявленных солнечно-слепых фильтров, включающих слой калия с толщинами: кривая 17 - d₁=12000 кривая 18 d₂=10000 кривая 20 - d₃=8000 кривая 19 d₄=6000
В табл. 1 приведены параметры структур этих фильтров.

Все характеристики спектрального коэффициента пропускания фильтров с указанными выше параметрами либо совпадают с характеристикой τ_o(λ) (кривой 7), либо расположены ниже ее и, следовательно, удовлетворяют условиям (1), (2), т.е. установленным требованиям, предъявляемым к солнечно-слепому фильтру для детектора черенковского излучения.

Если для калиевой пленки с определенной толщиной число слоев в дополнительном интерференционном фильтре будет меньше, чем определено в соответствии с формулами (10), то характеристика спектрального коэффициента пропускания либо частично, либо вся расположится выше, чем характеристика τ_o(λ), т.е. не будут удовлетворять условиям (1) и (2).

На фиг. 7 приведены кривые 21 и 22, которые соответствуют солнечно-слепому фильтру, включающему пленку калия с d_к=8000 и отрезающие фильтры, число слоев в которых, кроме последнего (V), уменьшено по сравнению с данными, приведенными в табл. 1 на 2 слоя (кривая 21) и на 4 слоя (кривая 22).

Из представленных характеристик видно, что кривые 21 и 22 не удовлетворяют требованиям (1) и (2), поэтому с такими солнечно-слепыми фильтрами детектор черенковского излучения будет иметь худший порог чувствительности, чем с фильтром с характеристикой (кривая 20), соответствующей солнечно-слепому фильтру с пленкой калия толщиной d_к=8000 и интерференционным фильтром, параметры структуры которого представлены в табл. 1.

Предлагаемый погружной детектор черенковского излучения, схематически представленный на фиг. 8, состоит из прочной капсулы 23 с входным окном 24, внутри которой находятся: солнечно-слепой ФЭУ 25, солнечно-слепой фильтр 26, модуль включения ФЭУ 27, модуль высоковольтного преобразователя для питания ФЭУ 28, модуль усиления и формирования электронного сигнала 29, разъемы 30 и 31 для подсоединения низковольтного питания и снятия сигнала.

В качестве фотоумножителя используется ФЭУ-170 с TeRb фотокатодом 32, характеристика спектральной чувствительности которого представлена на фиг. 9 кривой 37.

На фиг. 10 схематически представлена конструкция одного из вариантов предлагаемого солнечно-слепого фильтра, содержащего: слой калия 38, стабилизирующий слой 39, прозрачную подложку 40, прозрачное входное окно 41, интерференционный фильтр 42, индиевое кольцо 43, вакуум 44. С помощью индиевого кольца прозрачная подложка и прозрачное входное окно герметично соединяются друг с другом путем холодного прессования. Прозрачная подложка и прозрачное входное окно изготовлены из кварцевого стекла КУ-1, в виде дисков с диаметром D_д=30,3 ± 0,25 мм и толщиной d_д=2,5 ± 0,25 мм (прозрачная подложка и входное окно могут быть изготовлены из MgF₂ и других прозрачных материалов). Расстояние между подложкой 40 и входным окном 41 после холодного прессования l 100-150 мкм. Слой калия 38 имеет толщину d_к=8000 стабилизирующий слой 39 из Sb с толщиной d_ст=5-10
В качестве материалов для интерференционного фильтра выбраны материалы, прозрачные в рабочей области спектра: ThO₂ с n_B=2,15 и SiO₂ с n_H 1,457. Коэффициент А выбран равным 1,2. Параметры структуры фильтра приведены в табл. 2.

Фильтр выполнен на двух поверхностях входного окна: I и II на одной, III, IV и V на другой. Поэтому, как принято [13] между группами I и II, а также между III, IV и IV, V введены дополнительные слои 0,5Hⁱ⁺¹, где i - номер группы, на которую наносится следующая группа.

Характеристика спектрального коэффициента такого интерференционного фильтра представлена на фиг. 7 кривой 20.

Интерференционный фильтр 42 в солнечно-слепом фильтре может располагаться как на внешней, так и на внутренней стороне входного окна (см. фиг. 11) или на обеих поверхностях. Он может быть изготовлен на отдельном диске 45 (см. фиг. 12) и приклеен к входному окну или подложке калиевого фильтра с помощью тонкого слоя клея 46, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра.

Возможно изготовление солнечно-слепого фильтра без входного окна. В этом случае слой калия поверх стабилизирующего слоя должен быть покрыт прозрачной защитной пленкой 47 (см. фиг. 13), устойчивой к воздействию атмосферы. Такой пленкой может быть, например, пленка алмазоподобного углерода, приготовленная по низкотемпературной технологии.

Дополнительный интерференционный фильтр, выполненный на отдельном прозрачном диске, может использоваться совместно с калиевым фильтром, в котором слой калия без стабилизирующего слоя находится между двумя прозрачными дисками, сваренными между собой по краям, как это было сделано в работе [6]
Часть групп слоев дополнительного интерференционного фильтра может быть нанесена на разные поверхности, например, слой I и II на одной поверхности входного окна, а слой групп III, IV и V на второй его поверхности или на внешней поверхности подложки.

Заявляемый детектор черенковского излучения работает следующим образом (фиг. 8): черенковское излучение 33, возникшее в водной среде 34 и прошедшее через входное окно 24 детектора, попадает на солнечно-слепой фильтр 26, через который проходит черенковское излучение в диапазоне длин волн Δλ 220-270 нм, частично поглощаясь слоем калия этого фильтра. Прошедшее черенковское излучение попадает на фотокатод 32 фотоэлектронного умножителя 25, сигнал с которого после усиления и формирования подается на разъем 31. Солнечное излучение 35 и излучение 36, вызываемое биолюминесценцией в воде, практически не попадут на фотокатод фотоэлектронного умножителя, т.к. указанное излучение либо отразится от солнечно-слепого фильтра, либо поглотится в нем.

На фиг. 14 представлена спектральная чувствительность детектора, предназначенного для обнаружения по черенковскому излучению источников радиоактивности, локализованных в водных средах как на больших глубинах, так и в верхних слоях. Детектор содержит солнечно-слепой фотоэлектронный умножитель ФЭУ-170 с TeRb фотокатодом, спектральная чувствительность которого представлена кривой 37 на фиг. 9, и солнечно-слепой фильтр, приведенный в примере конкретного выполнения с характеристикой, показанной на фиг. 7 кривой 20.

Этот детектор может быть использован при самых неблагоприятных фоновых условиях (плотность потока фотонов в диапазоне длин волн Dl 240-600 нм Φ_ф(Δλ) = 10¹⁶ фотон/см²с), обусловленных максимальной солнечной радиацией, спектральное распределение которой приведено на фиг. 2 кривой 4.

Пороговая чувствительность такого детектора для указанных выше условий при обнаружении в морской воде наиболее информативного и экологически значимого радионуклида стронций-90 составляет 5·10^-11 Ки/л при измерении в течение t 1000 с. Пороговая чувствительность прототипа в таких же условиях составляет 1,5·10^-8 Ки/л. Отсюда видно, что пороговая чувствительность заявляемого детектора в 3·10² раз выше, чем у прототипа.

Литература
1. Рубанов С.М. О радиационно-экологическом мониторинге в районе гибели атомной подлодки "Комсомолец" по результатам экспедиций 1991 и 1992 гг. В сб. Тексты сообщений российской стороны на совещании с делегацией Вудсхольского океанографического института в ЦКБМТ "Рубин" 22 сентября 1992 г. с. 2.

2. Rippon S.E. Cherenkov detectors for the measurement of reactor power. Nucl. Instr. Meth. 1963, v.21, N 2, p. 193.

2. Attas E. M. et al. A Cherenkov viewing device for uzed-fuel verification. Nucl. Instr. Meth. A 299 (1990), p. 89-90.

4. Каталог цветного стекла. М. Машиностроение, 1967, с. 24.

5. Wood R.W. Phys. Rev. 44, 353 (1933).

6. O'Bryn H.M. Rev. Sci. Instruments, 6, 328, 1935.

7. US 005237447A, Patent Number: 5,237,447. Data of patent: Aug. 17.1993. Alkali Metal for ultraviolet dand-pass filter.

8. Ерлов Н.Г. Оптика моря. Л. Гидрометеоиздат, 1980, с. 83.

9. Оптика океана, т.1, Физическая оптика океана. М. Наука, 1983, с. 231.

10. Порфирьев Л. Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л. Машиностроение, 1989, с. 165.

11. Нестеров В.П. Федоровский Ю.П. Особенности прямых экспрессных измерений удельной активности бета-излучающих нуклидов в сыпучих пробах объектов внешней среды. В кн. Вопросы атомной науки и техники. Серия Ядерное приборостроение. Вып. 34-35, т. 2, М. Атомиздат, 1977, с. 17.

12. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия, Л. Машиностроение, 1973, с. 75-76.

13. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия, Л. Машиностроение, 1973, с. 80-82.

Формула изобретения

1. Детектор черенковского излучения, включающий фоточувствительный элемент фотоприемника, чувствительный в ближней ультрафиолетовой области спектра, и расположенный на входе фоточувствительного элемента солнечно-слепой фильтр, отличающийся тем, что солнечно-слепой фильтр состоит из изолированного от воздуха слоя калия на прозрачной подложке, стабилизирующего слоя и интерференционного фильтра, а спектральный коэффициент пропускания солнечно-слепого фильтра удовлетворяет условию

где
Φ_ф(λ) - плотность потока фотонов естественного светового фона;
Φ_э(λ) - плотность потока фотонов черенковского излучения;
ε(λ) - спектральная чувствительность фоточувствительного элемента, отн. ед.

λ_гр - граничная длина волны, определяемая из условия
Φ_э(λ_гр) = Φ_ф(λ_гр).
2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что слой калия имеет толщину d_к, при которой для излучения с длиной волны λ = 220 -270 нм коэффициент пропускания τ_к ≥ 0,05, а для λ = 600 нм коэффициент пропускания τ_к ≅ 10^-8, кроме того, интерференционный фильтр содержит, в зависимости от толщины слоя калия d_к, не менее двух и не более пяти отрезающих фильтров (I), (II), (III), (IV), (V), каждый их которых представляет группу из четного числа слоев следующей структуры:
АВН АВН ВН ВН ВО, 5Н,
где А 1 1,2;
В слой из материала, прозрачного в рабочей области спектра, с показателем преломления n_в 2,15 2,2;
Н слой из материала, прозрачного в рабочей области спектра, с показателем преломления n_н 1,45 1,46,
при этом толщина слоев h и их число N в группах выбирают из условий





где толщина слоев h_в и h_н с показателем преломления n_в и n_н в группах (I), (II), (III), (IV), (V) соответственно, а отсчет слоев ведут от поверхности, на которую нанесена группа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15