Сцинтилляционный детектор

Предложенное изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений и пригодно для использования в системах радиационного мониторинга объектов и территорий, в системах трансграничного таможенного контроля для регистрации бета-, гамма- и нейтронного излучений и смешанного излучения. Задачей настоящего изобретения является разработка сцинтилляционного детектора смешанных излучений с повышенной чувствительностью, обеспечивающей определение вклада каждого из компонентов смешанных излучений в общую дозу даже в случае, когда уровень одного из видов излучения близок к уровню фона. Предложенный сцинтилляционный детектор содержит сцинтиблок, включающий два соприкасающихся сцинтиллятора, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов, при этом каждый из соприкасающихся сцинтилляторов выполнен в виде шара и частично покрыт светоотражающим покрытием, оба они размещены в едином корпусе, покрытом внутри светопоглощающим покрытием, а фотоприемное устройство содержит по меньшей мере два фотоприемника, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу. 2 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений. Оно пригодно для использования в системах радиационного мониторинга объектов и территорий, в системах трансграничного таможенного контроля для регистрации бета-, гамма- и нейтронного излучений, особо пригодно для случаев одновременной регистрации смешанного излучения с выделением каждого из компонентов, даже если уровень одного из видов излучения близок к уровню фона.

Известен сцинтилляционный детектор нескольких излучений [Детектор нескольких излучений. Заявка ЕВП (ЕР) N 0311503, МПК⁷ G01T 1/00, 1/20, 1989]. Детектор имеет сцинтиблок, который включает два сцинтиллятора с зеленым и красным свечением, один из которых чувствителен к высокоэнергетическому излучению, а другой - к низкоэнергетическому, а также оптоэлектронный блок регистрации, выделяющий сигналы от датчиков с помощью светофильтров (зеленого и красного) и регистрирующий их с помощью фотодиодов.

Однако такой детектор имеет ограниченное применение. Он не пригоден для одновременной регистрации двух типов излучений в случае, когда уровень одного из видов излучения близок к уровню фона. Например, он не пригоден для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучения в случае, когда уровень нейтронного или гамма-излучения близок к уровню фона. Это обусловлено тем, что любой фотоприемник (а в известной заявке - это фотодиод) имеет низкую чувствительность при малых интенсивностях регистрируемых световых вспышек - сцинтилляций.

Известен сцинтилляционный детектор двух видов излучений: нейтронного и гамма-излучения [Патент США 4482808, МПК⁷ G01T 3/06, 1984]. Детектор содержит сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и блок электронной обработки сигналов, включающий в себя электронную схему селекции для разделения сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами.

Однако любой однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучений в случае, когда уровень нейтронного или гамма-излучения близок к уровню фона. Это обусловлено тем, что любой фотоприемник имеет низкую чувствительность при низком уровне входного (светового) сигнала на начальном участке его рабочей характеристики. Таким образом известный сцинтилляционный детектор обладает низкой чувствительностью к смешанному излучению в случае, когда уровень одного из видов излучения близок к уровню фона.

Известен сцинтилляционный детектор двух видов излучений: бета- и гамма-излучения [Патент США № 3382368], включающий сцинтилляционный кристалл BaF₂ (плотность 4,88 г/см³) и фотоэлектронный умножитель. Детектор имеет малую длительность сцинтилляций (< 50 нс). Максимум спектра свечения кристалла BaF, используемого в виде цилиндра, лежит в ультрафиолетовой области спектра, λ=220 нм. Известный сцинтилляционный детектор двух видов излучения (бета- и гамма-излучения) регистрирует оба типа излучения одновременно, однако, он не позволяет разделять компоненты излучения и определять вклад каждого из видов излучений в общую дозу.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор нескольких видов излучений, точнее детектор, пригодный для регистрации быстрых и тепловых нейтронов или нейтронов и гамма-излучения [Патент РФ 2259573, МПК⁷ G01T 1/00, 1/20, 3/06, 27.08.2005, Бюл. №24]. Известный детектор содержит сцинтиблок, включающий два соприкасающихся сцинтиллятора: сцинтиллятор на основе органического водородсодержащего пластика, чувствительный к быстрым нейтронам, и стеклянный сцинтиллятор на основе ⁶Li-силикатного стекла, чувствительный к тепловым нейтронам и гамма-излучению, и фотоприемное устройство, а также блок электронной обработки сигналов. Сцинтилляторы выполнены в виде элементов с параллельными соприкасающимися гранями, обеспечивающими оптический контакт, причем органический сцинтиллятор выполнен в виде клина, а стеклянный в виде параллелепипеда, образуя вместе с фотоэлектронным умножителем единый сенсорный сцинтиблок, в котором фотоэлектронный умножитель установлен с торца пластикового сцинтиллятора.

Однако известный детектор при одновременной регистрации быстрых и тепловых нейтронов не пригоден для определения вкладов каждого из них в общую дозу излучения, поскольку блок обработки сигналов работает в счетном режиме. В случае регистрации нейтронного и гамма-излучения известный детектор также не позволяет выделять компоненты излучений и их вклад в общую дозу, поскольку детектор работает в счетном режиме, и сигналы, получаемые от гамма-квантов и нейтронов, не различаются.

Задачей настоящего изобретения является разработка сцинтилляционного детектора смешанных излучений с повышенной чувствительностью, обеспечивающей определение вклада каждого из компонентов смешанных излучений в общую дозу даже в случае, когда уровень одного из видов излучения близок к уровню фона.

Это достигается за счет того, что сенсорный сцинтиблок предлагаемого сцинтилляционного детектора включает два сцинтиллятора, выполненных в виде двух соприкасающихся сцинтиллирующих шаров, частично покрытых светоотражающей пленкой и помещенных в единый корпус, внутренняя поверхность которого содержит светопоглощающее покрытие, а фотоприемное устройство сцинтиблока включает два фотоприемника (например, два фотоэлектронных умножителя или два фотодиода), расположенных под углом 90° относительно друг друга так, что один фотоприемник обеспечивает регистрацию сцинтилляций с обоих шаровидных сцинтилляторов, а второй фотоприемник - только с одного сцинтиллятора.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства;

- на фиг.2 представлена схема хода световых лучей, возникающих в результате сцинтилляций в различных точках сцинтилляторов.

Устройство содержит два сцинтиллятора 1 и 2 шаровидной формы, покрытых частично светоотражающей пленкой 3 и 4, помещенных в единый корпус 5 со светопоглощающим покрытием 6 изнутри. Сцинтиллятор 2 через стыковочные элементы 7, обеспечивающие оптический контакт, сопряжен с двумя фотоприемниками 8 и 9, работающими в токовом режиме, сигналы с которых поступают на блок обработки сигналов 10. Система оптических отражающих и поглощающих покрытий обеспечивает ход лучей при светосборе согласно схеме, представленной на фиг.2.

Устройство работает следующим образом. Смешанное ионизирующее излучение, попадая в шаровидные сцинтилляторы 1 и 2, вызывает в них сцинтилляции, световой поток которых пропорционален плотности потоков компонентов ионизирующего излучения w₁ и w₂. Каждый из сцинтилляторов характеризуется своими коэффициентами α_ij преобразования потоков ионизирующих излучений в световые потоки:

Сцинтиллятор	Плотность потока излучения
w1	w2
1	α11	α21
2	α12	α22

За счет системы оптических отражающих и поглощающих покрытий и шаровидной формы сцинтилляторов только часть оптического излучения, созданного ионизирующим излучением в них, может быть собрана на входных окнах фотоприемников 8 и 9, коэффициент геометрического светосбора на которых равен β_ij:

Фотоприемник	Сцинтиллятор
1	2
8	β18	β28
9	β19	β29

Особенностью предлагаемого устройства является то, что сцинтилляции со сцинтиллятора 2 попадают как в фотоприемник 8, так и в фотоприемник 9, в то время как сцинтилляции со сцинтиллятора 1 не могут оказаться на фотоприемнике 8, т.е. β₁₈=0; они попадают только в фотоприемник 9.

Коэффициенты геометрического светосбора сцинтилляций со сцинтиллятора 2 на фотоприемниках 8 и 9 (коэффициенты β₂₈ и β₂₉) определяются как отношение площади входного окна фотоприемника (соответственно S_ФП8 или S_ФП9) к площади поверхности сцинтиллятора S_Сц2: β₂₈=S_ФП8/S_Сц2; β₂₉=S_ФП9/S_Сц2. Коэффициент геометрического светосбора сцинтилляций со сцинтиллятора 1 на фотоприемник 9 (коэффициент β₁₉) зависит от коэффициентов преломления сцинтилляторов и приближенно может быть оценен из следующих соображений. Передача света со сцинтиллятора 1 на сцинтиллятор 2 возможна, когда свет подходит изнутри к поверхности сцинтиллятора 1 под углом, не превышающим критическое значение ϕ_кр, определяемое законами геометрической оптики: ϕ_кр=arcsin(1/n₁), где n₁ - коэффициент преломления сцинтиллятора 1. В противном случае происходит полное внутреннее отражение (см. фиг.2). Свет, вышедший из сцинтиллятора 1, фокусируется поверхностью сцинтиллятора 2 на фотоприемнике 9. Можно считать, что между сцинтилляторами существует "окно" контакта, площадь S_окно которого определяется критическим углом ϕ_кр и радиусом r₁ сцинтиллятора 1: В связи с этим коэффициент β₁₉ равен отношению площади "окна" S_окно к площади поверхности второго сцинтиллятора: β₁₉≈acrsin²(1/n₁)/8. Таким образом, коэффициенты β_ij равны:

Фотоприемник	Сцинтиллятор
1	2
8	β18=0	β28=SФП8/SСц2
9	β19≈acrsin2(1/n1)/8	β29=SФП9/SСц2

Далее фотоприемники 8 и 9 преобразуют световой поток сцинтилляций от сцинтилляторов в электрические токи I_ФП9 и I_ФП8. Бели эффективность преобразования световых потоков в электрический ток фотоприемниками 8 и 9 соответственно равна γ_ФП1 и γ_ФП2, то

Если применять фотоприемники с одинаковыми параметрами (γ₈=γ₉=γ и S_ФП8=S_ФП9=S_ФП), то

Из последнего выражения видно, что сигнал I₂ интенсивнее сигнала I₁, т.к.

Таким образом, предлагаемое устройство будет более чувствительным, чем устройство, в котором раздельно используются два тракта регистрации излучения (I_ФП9>I_ФП8)

По величинам токов I_ФП9 и I_ФП8 можно определить вклад каждого из компонентов излучения.

Вариации.

Если при этом использовать селективно чувствительные сцинтилляторы, т.е. сцинтилляторы такие, что сцинтиллятор 1 чувствителен только к первому типу излучения (α₁₁≠0, α₂₁=0), а сцинтиллятор 2 - только ко второму типу излучения (α₁₂=0, α₂₂≠0), то

Такой вариант можно использовать для регистрации слабых потоков ионизирующих излучений, например фона нейтронов при гамма-фоне. Пусть сцинтиллятор 1 (например, BGO) чувствителен к гамма-излучению, а сцинтиллятор 2 (например, ⁶Li,Се-стекло) чувствителен к нейтронам. Тогда ток I_ФП9, вызванный нейтронами, будет находиться не интервале от 0 до I_max (как это имеет место для обычных сцинтилляционных детекторов на базе литиевых стекол), а в интервале от I_ФП8 до I_ФП8+I_max. В таком устройстве можно избежать влияния темнового тока I_темн ФЭУ на измерения, если I_темн<I₈. Более того, в таком устройстве фотоприемник 9 работает в токовом режиме, а не в импульсном, что обеспечивает моментальность определения нейтронного фона.

Сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиблок, включающий два соприкасающихся сцинтиллятора, фотоприемное устройство, и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что каждый из соприкасающихся сцинтилляторов выполнен в виде шара и частично покрыт светоотражающим покрытием, оба они размещены в едином корпусе, покрытом внутри светопоглощающим покрытием, а фотоприемное устройство содержит по меньшей мере два фотоприемника, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу.