Детектор гамма-излучения

Изобретение относится к области спектрометрической регистрации рентгеновского и мягкого гамма-излучения. Технический результат изобретения: повышение оперативности и достоверности гамма-спектрометрических исследований, обеспечение возможности получения аппаратурного спектра, не искаженного комптоновским распределением от фотопиков полихроматической смеси гамма-излучения различаемых радионуклидов. Сущность: детектор выполнен в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде в виде органического сцинтиллятора. Органический сцинтиллятор регистрирует комптоновские электроны. Также детектор содержит схему отбора, представляющую собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений. Схема отбора осуществляет отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах. 1 ил.

 

Изобретение относится к детекторам ионизирующего излучения, а именно к детекторам, предназначенным для спектрометрической регистрации гамма-излучения.

Основная область применения предлагаемого детектора - гамма-спектрометрический анализ смеси радиоактивных изотопов по их гамма-излучению для целей экологического мониторинга окружающей среды за выбросами предприятий атомной промышленности, изучения литологического состава почвогрунтов в сельском хозяйстве по концентрации естественных радионуклидов, радиобиологии, изотопных исследований в растениеводстве и медицине методом меченых атомов, геофизических исследований.

Одним из основных отрицательных факторов при регистрации гамма-квантов по величине энергии с помощью сцинтилляционных детекторов является сложный характер аппаратурного спектра, обусловленный регистрацией не только фотопика полного поглощения, но и гамма-квантов комптоновского рассеяния при неполном поглощении энергии фотоэлектронов. При этом вклад комптоновского рассеяния тем больше, чем меньше размеры детектора и его плотность.

Известно, что для снижения уровня комптоновского рассеяния в устройствах, регистрирующих ионизирующее излучение, используют два детектора, представляющие собой два кристалла йодистого натрия или йодистого цезия, причем, один из детекторов регистрирует само гамма-излучение, а другой фиксирует под определенным углом комптоновское излучение, рассеянное в первом кристалле и которое с помощью схемы совпадений вычитается из спектра первого детектора [см. журнал: Константинов И.Е., Страхова В.А. «Приборы и техника эксперимента», 5, 125 (1960)].

Основным недостатком таких устройств является низкая эффективность регистрации рассеянных гамма-квантов из-за малого угла его регистрации и вследствие этого низкий уровень вычитания комптоновского рассеяния в спектре рабочего детектора.

Некоторое повышение эффективности вычитания комптоновского рассеяния достигается использованием в качестве детектора рассеянного излучения кольцевого кристалла, окружающего рабочий [см. журнал: Бурмистров В.Р., Казанский Ю.А. «Приборы и техника эксперимента», 2, 26 (1957)].

Кроме того, использование двух и более детекторов вызывает необходимость применения такого же количества фотоэлектронных умножителей, что усложняет установку, увеличивает ее габариты и стоимость.

Известен детектор рентгеновского и мягкого гамма-излучений (а.с. СССР №1512339, кл. 5 G 01 T 1/20, 1988, прототип), выполненный в виде сцинтилляционного слоя поликристаллических сферических гранул в иммерсионной среде, помещенного между двумя оптическими стеклами. Иммерсионная среда выполнена на основе полимерной композиции с тиксотропной добавкой, составляющей 2-2,5 мас.%.

Недостатком данного детектора является невозможность исключения комптоновского рассеяния при регистрации ионизирующего излучения смеси радионуклидов, поскольку коэффициент преломления иммерсионной среды, в качестве которой обычно используют масла: вазелиновое, кедровое и др., близок к коэффициенту преломления неорганических сцинтилляторов, поэтому свет от сцинтилляционной вспышки, как результат взаимодействия ионизирующего излучения с сцинтиллятором, беспрепятственно проникает к фотоумножителю, и назначение данного детектора ограничивается лишь регистрацией рентгеновского и мягкого (низкоэнергетического) гамма-излучений.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в исключении мешающего влияния комптоновского рассеяния при регистрации гамма-излучения смеси радионуклидов сцинтилляционным детектором.

Поставленная в изобретении задача решена путем использования в качестве иммерсионной среды органического сцинтиллятора в детекторе гамма-излучения, выполненном в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде, в неорганическом сцинтилляторе происходят световые вспышки от гамма-излучения. Органический сцинтиллятор регистрирует комптоновые электроны, а схемой отбора, представляющей собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений, осуществляют отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является совмещение в одном оптически связанном объеме не просто сцинтиллирующих поликристаллических гранул и иммерсионной среды, а совмещение в одном оптически связанном объеме двух сцинтилллирующих материалов с различным временем высвечивания, что позволяет регистрировать возникающие вспышки фотоэлектронным умножителем с последующим разделением сигналов по форме импульсов, что обеспечивает выполнение дополнительной функции, которой не обладает прототип - подавление комптоновского рассеяния в аппаратурном спектре устройства.

Изображение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображена конструкция предлагаемого детектора.

Детектор гамма-излучения включает в себя слой поликристаллических сферических гранул 1 неорганического сцинтиллятора (йодистый натрий, йодистый цезий), которые погружены в жидкий оптически связанный с ними органический сцинтиллятор 2.

Оптимальный диаметр гранул 1 неорганического сцинтиллятора, рассчитанный по формуле Клейна-Нишины-Тамма, составляет 2-3 мм. Оба сцинтиллятора 1 и 2 заключены в корпусе 3 с оптически связанным с ними окном 4.

Схема отбора представляет собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений.

Работает детектор гамма-излучения следующим образом.

Световые вспышки от гамма-излучений происходят преимущественно в зернах 1 неорганического сцинтилятора, имеющего более высокую массовую плотность и которые имеют очень низкую эффективность взаимодействия с органическим сцинтиллятором 2, тогда как комптоновские электроны регистрируются органическим сцинтиллятором 2, имеющим гораздо более высокую эффективность регистрации электронов, чем гамма-квантов. Фотоэлектронный умножитель преобразует вспышки в электрические импульсы, длительность которых пропорциональна времени высвечивания, которое у неорганического сцинтиллятора 1 намного больше, чем у органического 2. Схемой отбора для регистрации отбираются только те импульсы, которые соответствуют вспышке в неорганическом сцинтилляторе 1. Исключение комптоновского распределения из аппаратурного спектра детектора достигается исключением из него импульсов, соответствующих одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтиляторах, когда органическим сцинтиллятором 2 регистрируются комптоновские электроны. Таким образом, в апппаратурном спектре остаются только фотопики полного поглощения энергии гамма-излучения.

Применение предлагаемого детектора значительно повышает оперативность и достоверность гамма-спектрометрических исследований как лабораторных, так и полевых, позволяя получить аппаратурный спектр, не искаженный комптоновским распределением от фотопиков полихроматической смеси гамма-излучения различных радионуклидов.

Детектор гамма-излучения, выполненный в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде, в неорганическом сцинтилляторе происходят световые вспышки от гамма-излучения, отличающийся тем, что в качестве иммерсионной среды используют органический сцинтиллятор, регистрирующий комптоновские электроны, а схемой отбора, представляющей собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений, осуществляют отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах.