Призматический детектор

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма-излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах. Технический результат - повышение эффективности, понижение порога обнаружения источника излучений, расширение спектрометрических возможностей. В призматическом детекторе, содержащем последовательные детекторные элементы, внешние поверхности которых покрыты слоями защитного материала, и фотоприемные устройства, каждый детекторный элемент, выполненный в виде треугольной призмы с элементом, отражающим свет, расположенным на наклонной поверхности призмы, содержит слой сцинтиллятора, а фотоприемные устройства расположены на общем основании, а светочувствительная поверхность детекторного элемента и поверхность слоя сцинтиллятора расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. 3 ил.

 

Изобретение относится к регистрации рентгеновского и гамма-излучений, к определению их энергетического спектра, к медицинской рентгеновской томографии, к неразрушающему контролю материалов и изделий радиографическим и томографическим методами, к обнаружению источников ионизирующих излучений, к контролю содержимого багажа на контрольно-пропускных пунктах.

Известен детектор проникающих излучений, содержащий волоконный модуль, собранный из сцинтиллирующих оптических волокон, оптическую систему регистрации излучения, выходящего из торцов этих волокон.

Волоконный модуль выполнен в виде комбинированного люминесцентного экрана-преобразователя, сцинтиллирующие волокна которого составлены из последовательно соединенных отрезков различных типов сцинтиллирующих материалов.

Оптическая система содержит отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива, с которого световой поток попадает на ПЗС-матрицу. Патент Российской Федерации №2290666, МПК G01T 1/20, G01N 23/02, 2006 г.

Известен сцинтилляционный призматический детектор со сцинтилляторами различного типа с различными спектрами излучения и фотоприемниками.

Сцинтиллятор выполнен составным и содержит не менее двух составных элементов различного типа с различными спектрами излучения, установленных последовательно, на одном из торцов составного сцинтиллятора установлено такое же количество фотоприемников со спектральными чувствительностями или светофильтрами, согласованными с соответствующим типом составного элемента сцинтиллятора.

Для регистрации быстрых нейтронов использован пластиковый сцинтиллятор, для регистрации тепловых нейтронов сцинтиллятор изготовлен из кристалла ⁶LiF, а для регистрации рентгеновских и гамма-квантов сцинтиллятор изготовлен из кристалла NaI(T1). Патент Российской Федерации на полезную модель №76141, МПК G01T 1/20, 2008 г.

Известен сцинтилляционный призматический детектор, содержащий два разных сцинтиллятора, светящиеся в двух диапазонах длин волн, расположенных последовательно друг за другом.

Первый служит для регистрации мягкого рентгеновского излучения, второй - для регистрации жесткой компоненты.

Первый элемент сцинтиллятора включает гадолиний и имеет толщину от 0.03 мм до 0.06 мм; второй элемент сцинтиллятора включает отдельный кристаллический вольфрамат кадмия, толщиной от 2 мм до 3 мм.

Один из оптических датчиков включает кремниевый фотодиод. Полная толщина элементов сцинтиллятора от 1.0 мм до 10.0 мм.

Общая толщина сцинтиллирующих кристаллов достаточна для поглощения 99% всего излучения. Патент США №7388208, МПК G01T 1/00, 2008 г. Прототип.

Основным недостатком всех устройств является не полное разделение сигналов, возникающих в том или ином фотоприемнике по нескольким причинам:

- из-за частичного перекрытия спектров оптического излучения существующих прозрачных сцинтилляторов и не идеальности светофильтров, стоящих перед фотоприемниками, каждый из которых пропускает частично свет от другого сцинтиллятора,

- из-за амплитудного распределения энерговыделения в каждом из сцинтилляторов, обусловленного как спектром регистрируемого излучения, так и размером сцинтиллятора,

- из-за ослабления света в сцинтилляторах и светофильтрах.

Уменьшение влияния этого недостатка с помощью амплитудной дискриминации регистрируемого сигнала или другими средствами ведет к уменьшению эффективности детектора.

Недостатками устройств являются также низкая чувствительность обнаружения источников ионизирующих излучений из-за наличия собственных шумов фотоприемных устройств, невозможность учета вклада рассеянного в детекторе излучения, необходимость использования только прозрачных сцинтилляторов, отличающихся в необходимой степени спектром оптического излучения.

Изобретение устраняет недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности, понижение порога обнаружения источника излучений, расширение спектрометрических возможностей за счет применения набора сцинтилляционных детекторных элементов и последующей математической обработки количества поступивших с них сигналов, расширение спектра используемых сцинтилляционных материалов, включая дисперсные и порошковые.

Технический результат изобретения достигается тем, что в призматическом детекторе, содержащем последовательные детекторные элементы, внешние поверхности которых покрыты слоями защитного материала, и фотоприемные устройства, каждый детекторный элемент, выполненный в виде треугольной призмы с элементом, отражающим свет, расположенным на наклонной поверхности призмы, содержит слой сцинтиллятора, а фотоприемные устройства расположены на общем основании, а светочувствительная поверхность детекторного элемента и поверхность слоя сцинтиллятора расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Требуемое количество однотипных детекторных элементов в призматическом детекторе определяется назначением детектора и зависит от энергетического спектра регистрируемого излучения, а также материала сцинтиллятора.

Существо изобретения поясняется на чертежах.

На фиг.1 представлен детекторный призматический элемент, где: 1 - слой дисперсного или порошкового сцинтиллятора, 2 - треугольные призмы, 3 - фотоприемное устройство, 4 - элемент, отражающий свет, нанесенный на грань призмы, 5 - сцинтилляционная вспышка, 6 - клеевой слой с функцией оптического контакта.

На фиг.2 представлен вид детектора сверху, где: 1 - слои дисперсного или порошкового сцинтиллятора, 2 - треугольные призмы, 3 - фотоприемные устройства, 4 - элемент, отражающий свет, нанесенный на грань призмы, X - направление излучения, 7 - основание для крепления фотоприемных устройств.

Треугольные призмы 2 и элемент, отражающий свет, 4 выполнены из наименее ослабляющего регистрируемое излучение материала.

Например, для изготовления призм 2 использован прозрачный полимерный материал, в частности полиметилметакрилат, а элемент, отражающий свет, 4 изготовлен на основе слоев диэлектрика.

Вся конструкция помещена в светозащищенный корпус.

На фиг.3 представлена двухканальная схема обработки сигналов, где: 1 - слой дисперсного или порошкового сцинтиллятора; 2 - призматические сборки; 3, 3¹ - фотоприемные устройства, 8 и 8¹ - аналоговые усилители; 9 и 9¹ - дискриминаторы с регулируемыми порогами дискриминации; 10 - схема совпадений.

Устройство работает следующим образом.

Излучение в виде рентгеновского или гамма-кванта направляют на торец сцинтилляционного детектора (фиг.1).

При возбуждении квантом сцинтилляционной вспышки в одном из слоев сцинтиллятора дисперсного или порошкового сцинтиллятора 1 свет от сцинтилляционной вспышки 5 выходит в основном через поверхности слоя сцинтиллятора 1 в светоотражающие призмы 2.

В светоотражающих призмах 2 свет направляется элементом, отражающим свет (элемент 4), через клеевой слой (оптический контакт) 6 на фотоприемные устройства 3 и 3¹, в которых под его действием возникает электрический сигнал.

Сигналы с фотоприемников 3 и 3¹ (кремниевых фотоумножителей) поступают на аналоговые усилители 8 и 8¹, после которых аналоговый сигнал поступает на дискриминаторы 9 и 9¹ с регулируемыми порогами дискриминации (фиг.3).

Логические сигналы с дискриминаторов 9 и 9¹ идут на схему совпадений 10. В случае если на обоих входах схемы совпадений 8 появляются сигналы, схема совпадений 10 вырабатывает сигнал запроса, который хранится в выходном регистре схемы.

Внешний контроллер (не показан) опрашивает выходные регистры схемы совпадений 10 и в случае наличия в них сигнала (запроса) осуществляет считывание сигналов для их передачи в компьютер и дальнейшего анализа. Все логические схемы выполнены в стандарте ЭСЛ. В качестве дискриминаторов 9 и 9¹ использованы микросхемы AD 96687BP, а в качестве схемы совпадений 10 использована микросхема HEL (MC10LD1).

Количество сигналов запроса с каждого слоя по окончании регистрации анализируют и с помощью компьютерной программы производят восстановление спектра излучения.

Для восстановления спектра излучения источника решается система интегральных уравнений:

где Q_i - количество запросов с i-го слоя (пластины) многослойного детектора;

n - число слоев; S_i(E) - чувствительность i-го слоя к потоку квантов с энергией Е;

φ(Е) - искомая энергетическая зависимость падающего на детектор потока квантов.

Система уравнений решается с использованием итерационного метода минимизации направленного расхождения. Тараско М.З. Метод минимума направленного расхождения в задачах поиска распределений. Препринт ФЭИ №1446. Обнинск, 1983.

Призматический детектор, содержащий последовательные детекторные элементы, внешние поверхности которых покрыты слоями защитного материала, и фотоприемные устройства, отличающийся тем, что каждый детекторный элемент, выполненный в виде треугольной призмы с элементом, отражающим свет, расположенным на наклонной поверхности призм, содержит слой сцинтиллятора, а фотоприемные устройства расположены на общем основании, а светочувствительная поверхность детекторного элемента и поверхность слоя сцинтиллятора расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.