Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств

Авторы патента:


Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств
Автоматическая стабилизация усиления и температурная компенсация для органических и/или пластиковых сцинтилляционных устройств

 


Владельцы патента RU 2554313:

ФЕГА ГРИСХАБЕР КГ (DE)

Изобретение относится к устройствам для измерения излучения и, в частности, к способу автоматической стабилизации усиления и температурной компенсации в таких устройствах. Детектор и ассоциированный с ним способ включают в себя первый сцинтиллирующий материал, имеющий температурную зависимость светового выхода и выход на первом энергетическом уровне; второй сцинтиллирующий материал, имеющий температурную зависимость светового выхода подобно первому сцинтиллирующему материалу, выход на втором энергетическом уровне и схему детектирования. Первый и второй выходы зависят от излучения, испущенного из источника ионизирующего излучения. Схема детектирования включает в себя общий фотоэлектронный умножитель, сконфигурированный для преобразования фотонов, выходящих из первого сцинтиллирующего материала и из второго сцинтиллирующего материала, в электрические импульсы, схему счетчика, сконфигурированную для подсчета электрических импульсов, сгенерированных в фотоэлектронном умножителе первым и вторым сцинтиллирующими материалами, и схему управления усилением, сконфигурированную для отслеживания электрических импульсов, сгенерированных в фотоэлектронном умножителе вторым сцинтиллирующим материалом, и для регулировки усиления детектора на основе детектирования дрейфа выхода второго сцинтиллирующего материала. Технический результат - повышение точности детектирования излучения. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в общем, к устройствам для измерения излучения и, в частности, к способу автоматической стабилизации усиления и температурной компенсации в таких устройствах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В обычных устройствах для ядерных измерений ядерный детектор основан на сцинтиллирующем материале. Сцинтиллирующие материалы, будучи подвергнуты ядерному облучению, испускают свет. Количество испущенного света связано с количеством ионизирующего излучения, падающего на сцинтиллирующий материал. В случае гамма-излучения спектр испущенного света зависит от того, производится ли рассеяние энергии посредством комптоновского рассеяния или же посредством эффекта фотоэлектрического поглощения. Сцинтилляционные материалы с атомными номерами менее 25 в первую очередь подвержены комптоновскому рассеянию, тогда как сцинтилляционные материалы с атомными номерами больше 25 подвержены комптоновскому рассеянию и фотоэлектрическому поглощению. Комптоновское рассеяние порождает свет широкого спектра и обычно в нем нет различимых характеристик или фотопиков. В противоположность этому фотоэлектрический эффект дает различимый фотопик, основанный на энергии поглощенного гамма-излучения.

Свет детектируется посредством использования фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), который преобразует входящие фотоны в импульсы электрического тока. ФЭУ, установленный на выходе сцинтиллирующего материала, детектирует исходящий из этого сцинтиллирующего материала свет. ФЭУ создает сигнал, указывающий на количество излучения, попадающего на материал, которое представляет результат измерения устройства. Этот тип датчика описывается в патентах США №№ 3884288, 4481595, 4651800, 4735253, 4739819 и 5564487, которые во всей своей полноте включены в настоящее описание посредством ссылки. Другие технологии детектирования ядерного излучения также были использованы в некоторых типах ядерных детекторов, например, в патенте США № 3473021, который во всей своей полноте включен сюда посредством ссылки, показан счетчик Гейгера. Существуют также сцинтилляционные детекторы, известные как "фосвич"-детекторы, которые используют два различных сцинтилляционных материала. Фосвич ("фосфорный сэндвич") представляет собой комбинацию оптически сопряженных между собой и с ФЭУ сцинтилляторов с отличными друг от друга характеристиками формы импульса. При анализе формы импульсов распознаются сигналы от двух сцинтилляторов с определением, в каком сцинтилляторе это событие произошло.

К сожалению, обычным устройствам измерения ионизирующего излучения присущи некоторые недостатки, в частности то, что эти устройства используют в качестве детекторов сцинтилляционные материалы. Усиление ФЭУ смещается с температурой и, вообще говоря, с температурой обычно также изменяется и световой выход сцинтилляционного материала. Недостатками могут быть также и другие факторы, такие как наличие импульсов темнового тока, но основным недостатком сцинтилляционного устройства является его температурная зависимость.

В случае сцинтилляторов с большими атомными номерами (Z), которые дают фотопики, например NaI, способы компенсации влияния температуры на усиление ФЭУ и обусловленного температурой изменения светового выхода, основанные на отслеживании смещений спектральных фотопиков, хорошо известны и легко используются. Однако в случае малых Z и органических и/или пластиковых сцинтилляционных детекторов фотопики, если они присутствуют, являются неразличимыми. Поэтому температурная компенсация и/или автоматическая стабилизация усиления на основе способов детектирования фотопиков, используемая для случаев со сцинтилляцией натрий-йода, неприменима для пластиковых или органических сцинтилляционных устройств.

Пластиковые и органические сцинтиллирующие материалы обычно имеют относительно стабильный световой выход в температурном диапазоне от -60 до 40°С. Однако температурное смещение усиления ФЭУ все еще является достаточной причиной для введения температурной компенсации. Этот температурный дрейф, обусловленный изменениями температуры, может вызывать изменение усиления величиной в полпроцента на каждый градус Цельсия.

Современные способы температурной компенсации, используемые для обнуления этих смещений усиления, обычно не имеют обратной связи и используют функцию, которая аппроксимирует световой выход в зависимости от температуры, а также усиление ФЭУ в зависимости от температуры. На основе этой функции выполняются корректировки усиления ФЭУ. Например, может выполняться считывание температуры, после чего на основе этого считывания может быть скорректировано электронное усиление или усиление высокого напряжения. Кроме того, другие современные способы температурной компенсации могут включать в себя подсветку светоизлучающим диодом (LED) на сцинтиллирующий материал. В идеальной температурной ситуации некоторый процент света от светодиода детектируется с другой стороны от сцинтиллирующего объекта. Но по мере увеличения температуры детектируется все меньшее количество света. Выполняется измерение детектированного света от светодиода, после чего могут быть произведены компенсационные регулировки.

Поэтому в данной области техники существует потребность в улучшенной методологии управления усилением ФЭУ на основе температурной зависимости как самого ФЭУ, так и сцинтиллирующих материалов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают детектор, содержащий первый сцинтиллирующий материал, имеющий температурную зависимость светового выхода и выход, зависящий от излучения, второй сцинтиллирующий материал, имеющий температурную зависимость светового выхода, подобно первому сцинтиллирующему материалу и выход, зависящий от излучения, испущенного из источника ионизирующего излучения, и схему детектирования. Выход первого сцинтиллирующего материала находится на первом энергетическом уровне, а выход второго сцинтиллирующего материала находится на втором энергетическом уровне, более высоком, чем первый энергетический уровень. Схема детектирования включает в себя фотоэлектронный умножитель, сконфигурированный для преобразования фотонов, выходящих из первого и второго сцинтиллирующих материалов, в электрические импульсы, схему счетчика, сконфигурированного для подсчета электрических импульсов, сгенерированных в фотоэлектронном умножителе первым и вторым сцинтиллирующими материалами, и схему управления усилением. Схема управления усилением сконфигурирована для отслеживания электрических импульсов, сгенерированных в этом фотоэлектронном умножителе вторым сцинтиллирующим материалом, и для регулировки усиления детектора на основе детектирования дрейфа выхода второго сцинтиллирующего материала.

В некоторых вариантах осуществления второй сцинтиллирующий материал может быть введен в первый сцинтиллирующий материал. В других вариантах осуществления второй сцинтиллирующий материал может быть смежным с первым сцинтиллирующим материалом. В некоторых из этих вариантов осуществления выходы первого и второго сцинтиллирующих материалов могут передаваться через световод на общий ФЭУ. В еще некоторых других вариантах осуществления второй сцинтиллирующий материал может быть расположен между первым сцинтиллирующим материалом и фотоэлектронным умножителем, при этом выход первого сцинтиллирующего материала направляется через второй сцинтиллирующий материал. Следующие варианты осуществления могут включать в себя первый и второй сцинтиллирующие материалы, которые не находятся в контакте один с другим, при этом выходы от первого и второго сцинтиллирующих материалов передаются через световоды на один и тот же ФЭУ.

В некоторых вариантах осуществления первый сцинтиллирующий материал может быть пластиковым сцинтиллирующим материалом, а второй сцинтиллирующий материал может быть неорганическим сцинтиллирующим материалом. В конкретных вариантах осуществления неорганический сцинтиллирующий материал может быть YSO, YAP, LSOLYSO. Дополнительно, второй энергетический уровень может быть более высоким, чем первый энергетический уровень.

Варианты осуществления изобретения также обеспечивают способ управления усилением детектора. Из источника ионизирующего излучения или радиоактивного источника испускается излучение. Генерируется первый выход, зависящий от испущенного излучения, принятого первым сцинтиллирующим материалом, имеющим температурную зависимость светового выхода. Этот первый выход находится на первом энергетическом уровне. Одновременно генерируется второй выход, зависящий от испущенного излучения, принятого вторым сцинтиллирующим материалом, имеющим температурную зависимость светового выхода, подобно первому сцинтиллирующему материалу. Этот второй выход находится на втором энергетическом уровне, отличающемся и большем, чем первый энергетический уровень. Определяется количество электрических импульсов, которые ассоциированы с первым и вторым выходами. После этого может быть определена регулировка усиления детектора на основании второго выхода.

В некоторых вариантах осуществления определение количества электрических импульсов, ассоциированных с первым выходом, включает в себя преобразование первого выхода в последовательность электрических импульсов и подсчет электрических импульсов. В некоторых вариантах осуществления определение регулировки усиления детектора на основании второго выхода включает в себя идентификацию фотопика или спектральной характеристики во втором выходе, отслеживание дрейфа фотопика или спектральной характеристики, обусловленного изменением температуры, и регулировку усиления детектора для компенсации дрейфа, обусловленного изменением температуры.

В некоторых вариантах осуществления второй выход может также зависеть от естественно существующего источника высокоэнергетического ионизирующего бета- и гамма-излучения, когда второй сцинтиллирующий материал представляет собой соединение с лютецием, такое как оксиортосиликат лютеция или оксиортосиликат лютеция-иттрия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сопроводительные иллюстрации, которые введены в настоящее описание и составляют его неотъемлемую часть, показывают варианты осуществления данного изобретения и вместе с вышеприведенным общим описанием изобретения служат для пояснения изобретения.

Фиг.1 показывает три примера соотношений между подсчетом импульсов и номером канала при различных температурах.

Фиг.2 показывает три примера соотношений между относительным процентным световым выходом и температурой сцинтиллирующего кристалла1. (1 Источник данных для построения кривых для NaI(TI), CsI(Na), CsI(TI) и BGO можно найти на Фиг.3.3 по ссылке http://www.scionix.nl/crystals.htm (последнее обращение 9 февраля 2010 г.).

Фиг.3 показывает фотопик сцинтиллирующего материала, который поглощает энергию через фотоэлектрический эффект.

Фиг.4А-4Е показывают множество потенциальных конфигураций и соотношений между первым сцинтиллирующим материалом, вторым сцинтиллирующим материалом и фотоэлектронным умножителем.

Фиг.5 показывает примерную схему прибора детектирования уровня ядерного излучения, использующего пучок сцинтиллирующих пластиковых волокон и соответствующие электронные элементы для детектирования сцинтилляционного света, генерируемого этим пучком волокон, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

Следует понимать, что приложенные чертежи необязательно выполнены в масштабе и дают в некотором смысле упрощенное представление о различных признаках, характеризующих основные принципы изобретения. Конкретные конструктивные особенности последовательности операций в том виде, как они показаны здесь, включают в себя, например, особенные размеры, ориентацию, расположение и формы различных элементов, будут частично определены специальным приложением, а также его окружением.

Для облегчения зрительного восприятия и более ясного понимания некоторые признаки проиллюстрированных вариантов осуществления были преувеличены или искажены относительно других. В частности, для большей ясности или лучшего изображения тонкие конструктивные элементы могли быть утолщены.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Широко распространенными являются недорогие пластиковые сцинтилляторы, поскольку им при изготовлении легко может быть придана практически любая форма, включая форму волокон, стержней и т.д. Кроме того, прогресс в технологии производства прочных и надежных фотоэлектронных умножителей способствует тому, что применение сцинтилляционных детекторов для проведения измерений в трудных окружающих условиях становится более привлекательной альтернативой. Однако известно, что сцинтилляционные зонды без управления усилением являются очень нестабильными. Чтобы решить эту проблему, может быть использована схема автоматического управления усилением, способствующая достижению приемлемой стабильности измерений. Это может быть особенно важно, когда непрерывные измерения в режиме реального времени должны проводиться в трудных окружающих условиях, в которых, например, возможны изменения температуры в широком диапазоне.

Пластиковые сцинтилляторы, такие как сцинтилляторы из полистирола, являются недорогими и их легко формировать в виде стержней, волокон и в другой конфигурации. К сожалению, эти пластиковые сцинтилляторы не дают каких-либо распознаваемых пиков или спектральных распределений, которые можно было бы отслеживать при определении, каким образом следует регулировать усиление в процессе автоматического управления усилением. Помимо нестабильности в сцинтилляторе, пластиковые сцинтилляторы сопрягаются с фотоэлектронными умножителями, которые также подвержены вариациям, обусловленным температурой.

Например, Фиг.1 иллюстрирует влияние температуры на подсчет импульсов в сцинтилляционном зонде для конкретного номера канала зонда без управления усилением. Показаны три примера такого соотношения. На графиках "подсчет импульсов" представляет собой количество импульсов в единицу времени, а "номер канала" - место измерения усиления. Для иллюстрации влияния температуры канал номер 10 на всех графиках на Фиг.1 показан в виде пунктирной линии. Первый график 12 показывает соотношение при идеальных условиях, при этом выбранный канал номер 10 находится на уровне опорного усиления. По мере увеличения температуры, как показано на графике 14, опорное усиление смещается от канала номер 10. Аналогичным же образом, как показано на графике 16, опорное усиление смещается от канала номер 10 и по мере уменьшения температуры. Если отслеживается только канал номер 10, то канал номер 10 дает несоответствующий действительный подсчет импульсов, поскольку опорная величина ушла от этого канала.

Чтобы способствовать правильной настройке усиления, варианты осуществления настоящего изобретения используют второй сцинтиллирующий материал, который может быть добавлен к пластиковому сцинтиллятору (стержень, волокно или жидкость), для того чтобы обеспечить средство для отслеживания любого обусловленного температурой дрейфа или какого-либо иного изменения и участвовать в стабилизации детектора. Вторым сцинтиллирующим материалом может быть целый ряд различных материалов. Вторым сцинтиллирующим материалом может быть, например, другой пластик, хотя этот сцинтиллятор должен иметь, по меньшей мере, примерно, в 1,5-2 раза больший световой выход, а также некоторый поддающийся измерению энергетический пик, который можно отслеживать. Альтернативно, второй сцинтиллятор может быть неорганическим сцинтиллятором, способным давать фотопики излучения, используемые для управления усилением, и, как и ранее, эти фотопики должны быть, по меньшей мере, примерно, в 1,5-2 раза большими, чем световой выход пластикового материала, так чтобы они были отделимыми и отличимыми от первого сцинтилляционного материала.

Вообще говоря, пластиковые сцинтилляторы работают в диапазоне от примерно -60°С до примерно +50°С с менее чем 1%-ным изменением светового выхода, обусловленным температурой самого пластика. Второй сцинтиллирующий материал должен иметь аналогичную зависимость светового выхода от температуры, что и используемый для детектирования пластиковый сцинтиллятор. Поскольку пластики являются негигроскопичными, то второй сцинтиллирующий материал также может быть негигроскопичным, хотя в других вариантах осуществления могут использоваться гигроскопичные материалы.

При выборе материала для второго сцинтиллятора кажется хорошим вариантом мог бы быть NaI из-за его великолепного светового выхода. Однако температурная зависимость светового выхода NaI 20 так же, как и CsI, BGO и PbWSO4, как это видно на Фиг.2, на самом деле делает его менее подходящей альтернативой по сравнению с другими неорганическими сцинтилляционными материалами, имеющими малую или нулевую температурную зависимость светового выхода, что также видно на Фиг.2. В качестве альтернативы, такие материалы, как оксиортосиликат иттрия ("YSO"), алюмо-иттриевый перовскит ("YAP"), оксиортосиликат лютеция ("LSO"), оксиортосиликат лютеция-иттрия ("LYSO") и другие неорганические сцинтилляторы с высоким световым выходом, подобные LaBr(Ce), которые имеют значительно меньшую температурную зависимость, чем NaI, возможно, лучше подходят для такого метода управления усилением. Например, все эти сцинтилляторы имеют примерно менее, чем однопроцентное изменение светового выхода по широкому рабочему температурному диапазону, приблизительно от -20°С до приблизительно 50°С. Другие материалы, потенциально пригодные для использования в качестве второго сцинтиллятора, могут также включать в себя GSO, LGSO, LI, LF, LaCl3, WAG и SrI.

Фиг.2 далее показывает соотношения между относительным процентным световым выходом и температурой сцинтиллирующих кристаллов. В частности, эта фигура дополнительно показывает соотношения между пластиковым сцинтиллирующим материалом 22 и LYSO 24. Как можно видеть на Фиг.2, LYSO 24 имеет гораздо больший относительный световой выход, чем пластиковый сцинтиллирующий материал 22. Кроме того, световые выходы и LYSO 24, и пластикового материала 22 при изменении температуры остаются относительно постоянными.

Поскольку вышеприведенные неорганические сцинтилляторы являются материалами, содержащими элементы с большим Z (с атомными номерами, большими чем 25), то обычно они дают различимые фотопики и таким образом хорошо подходят для обеспечения спектральной характеристики, пригодной для автоматической стабилизации усиления. В результате комбинации спектральной характеристики неорганического сцинтиллятора со спектральной характеристикой пластикового сцинтиллятора получается средство для точного и четкого автоматического управления усилением, обычно используемое только с детекторами NaI. Этот метод может использоваться с пластиковыми детекторами всех типов, включая волокна, стержни и жидкости. Такое средство управления усилением является зависимым от светового выхода неорганического сцинтиллятора, который больше (например, больше примерно в 1,5-2 раза), чем световой выход пластикового сцинтиллятора, при этом зависимость их светового выхода от температуры является по существу одинаковой для пластикового и неорганического сцинтиллятора. Таким образом, фотопики от неорганических материалов, выходящие за энергетический диапазон пластикового сцинтиллятора, могут быть использованы для отслеживания смещений, как показано на Фиг.1, и, соответственно, для регулировки усиления.

В других вариантах осуществления второй сцинтиллирующий материал, например LYSO, не может давать используемые фотопики, а дает опорный или стабильный спектральный выход, выходящий за энергетический диапазон пластикового сцинтиллятора. Этот выход подобно вышеописанным фотопикам может отслеживаться и затем использоваться для учета смещений сигнала сцинтилляционного датчика и соответствующей регулировки его усиления.

Фиг.3 показывает соотношение между подсчетом импульсов и номерами каналов сцинтиллирующих материалов двух типов. Первый сцинтиллирующий материал, такой как пластик 22, поглощает энергию посредством комптоновского рассеяния. Второй материал, такой как LYSO 24, поглощает энергию посредством комптоновского рассеяния и фотоэлектрического эффекта. Следует заметить, что фотопик 30 от второго сцинтиллирующего материала 24 расположен на большом расстоянии от любых соответствующих пиков первого сцинтиллирующего материала 22. Это благоприятствует определению нахождения фотопика второго сцинтиллирующего материала, а также исключает какое-либо мешающее взаимодействие с фотопиком первого сцинтиллирующего материала. После того как положение этого фотопика будет определено, могут быть выполнены температурные регулировки усиления. Вследствие одинаковой температурной зависимости первого и второго сцинтиллирующих материалов любая регулировка, выполненная для учета дрейфа в системе второго сцинтиллирующего материала, автоматически корректирует дрейф первого сцинтиллирующего материала.

Количество второго сцинтиллирующего материала 24, используемого для управления усилением, должно быть вполне достаточным для возможности определения расположения и измерения фотопика или пика, обусловленного иной энергией, чтобы можно было отслеживать смещения. Однако нет необходимости иметь такое же количество второго сцинтиллирующего материала 24, как и количество пластикового сцинтиллирующего материала 22, фотоны от которого важны для выполнения подсчета. Вообще, второй сцинтиллирующий материал очень мал по размеру по сравнению с первым сцинтиллирующим материалом.

Согласно Фиг.4А первый сцинтиллирующий материал 40 может быть представлен в виде кристалла, а второй сцинтиллирующий материал 42, например, может быть введен в первый сцинтиллирующий материал 40. И первый, и второй сцинтиллирующие материалы 40, 42 передают фотоны в один и тот же ФЭУ 44. Количество второго сцинтиллирующего материала 42, который встроен в первый сцинтиллирующий материал 40, должно быть достаточным для возможности обеспечения энергетического или фотопика, который можно отслеживать.

В альтернативном варианте осуществления, как видно на Фиг.4В, первый сцинтиллирующий материал 40 может быть выполнен, например, в форме пучка волокон, а второй сцинтиллирующий материал 42 может быть одним из волокон в этом пучке. После этого первый и второй сцинтиллирующие материалы 40, 42 могут быть сопряжены с одним и тем же ФЭУ 44, как описано выше, при этом фотоны, испущенные первым сцинтиллирующим материалом 40, передаются через волокна первого сцинтиллирующего материала 40, а фотоны, испущенные вторым сцинтиллирующим материалом 42, передаются через волокно (волокна) второго сцинтиллирующего материала. В конфигурации волоконного пучка количество волокон первого сцинтиллирующего материала 40, вероятно, будет значительно превышать количество волокон второго сцинтиллирующего материала 42, поскольку количество фотонов во втором сцинтиллирующем материале 42 не так важно. Количество волокон второго сцинтиллирующего материала 42, однако, должно быть достаточным для возможности обеспечения энергетического или фотопика, который можно отслеживать. В альтернативных вариантах осуществления вторым сцинтиллирующим материалом может быть только участок волокна на конце волокна или около него. На Фиг.4В, альтернативно, первый и второй сцинтиллирующие материалы 40, 42 могут быть выполнены в другом виде, например в форме стержня, при этом первый сцинтиллирующий стержень является смежным со вторым сцинтиллирующим стержнем.

Фиг.4С показывает альтернативный вариант осуществления, в котором сцинтиллирующие материалы 40, 42 выполнены в конфигурации, подобной конфигурации по Фиг.4В, где, например, сцинтиллирующие материалы могут быть выполнены в форме волокон или в виде стержней. Фиг.4С показывает световод 46, вставленный между первым и вторым сцинтиллирующими материалами 40, 42 и ФЭУ 44. Этот световод 46 передает фотоны от первого и второго сцинтиллирующих материалов 40, 42 к одному и тому же ФЭУ 44, что позволяет ФЭУ 44 иметь меньшее входное окно, чем общая площадь выходных торцов первого и второго сцинтиллирующих материалов 40, 42, в то же время обеспечивая сопряжение обоих сцинтиллирующих материалов непосредственно с ФЭУ 44.

В другом варианте осуществления, показанном на Фиг.4D, второй сцинтиллирующий материал 42 может быть помещен между первым сцинтиллирующим материалом 40 и ФЭУ 44. В этом варианте осуществления фотоны, испущенные в первом сцинтиллирующем материале 40, передаются на ФЭУ 44 через второй сцинтиллирующий материал 42. Количество задействованного второго сцинтиллирующего материала 42 должно быть достаточным для возможности порождения энергетического или фотопика, который можно отслеживать. Кроме того, второй сцинтиллирующий материал должен быть достаточно прозрачным, чтобы обеспечивалась возможность пропускания фотонов от первого сцинтиллирующего материала 40 через второй сцинтиллирующий материал 42 к общему ФЭУ 44.

Фиг.4Е иллюстрирует еще один вариант осуществления, в котором первый и второй сцинтиллирующие материалы 40, 42 не находятся в контакте друг с другом. Выходящие из первого и второго сцинтиллирующих материалов 40, 42 фотоны могут быть направлены к тому же самому ФЭУ 44 соответственно через световоды 48 и 50. В альтернативных конфигурациях этого варианта осуществления один из первого и второго сцинтиллирующих материалов 40, 42 может быть непосредственно соединен с ФЭУ 44, в то время как другой из сцинтиллирующих материалов 40, 42 может быть соединен с ним через световод, как показано на Фиг.4Е. Эта конфигурация может хорошо подходить для иллюстраций работы с удаленным датчиком, где управление усилением достигается с использованием второго сцинтиллирующего материала, как описано выше.

Согласно Фиг.5 вышеописанный метод автоматической регулировки усиления может быть применен, например, в устройстве 60 измерения уровня ядерного излучения. Устройство 60 измерения уровня ядерного излучения может включать в себя набор 62 оптических волокон, расположенных вокруг окружности рабочего сосуда 64, заполненного продуктом 66, уровень излучения которого необходимо измерить. Находящийся в сосуде продукт облучается источником 68 ядерного излучения. В этом примере пластиковый сцинтилляционный детектор 62 может быть выполнен в виде сцинтиллирующих волокон, хотя вместо них могли бы использоваться и другие пластиковые или органические сцинтилляторы. Пластиковый (или) органический сцинтиллирующий материал может существовать в газообразной, жидкой или твердой форме.

В осуществлениях настоящего изобретения может также использоваться второй сцинтиллирующий материал 70 с тепловыми характеристиками, подобными тепловым характеристикам пластиковых сцинтиллирующих волокон, для управления усилением, совместимым с вышеприведенными вариантами осуществления. Показан один из возможных вариантов расположения для второго сцинтиллирующего материала 70, хотя, как показано выше, например, в вариантах осуществления по Фиг.4А-4Е могут быть придуманы также и альтернативные расположения второго сцинтиллирующего материала. В большинстве вариантов осуществления второй сцинтиллирующий материал 70 может быть гораздо меньшим, чем первый сцинтиллирующий материал. Как указанно в вышеприведенном методе, второй сцинтиллирующий материал может также иметь гораздо больший световой выход таким образом, чтобы он находился вне диапазона пластиковых сцинтилляторов или любого другого использованного сцинтиллирующего материала, который не имеет определенного фотопика.

Концы сцинтиллирующих волокон 62 в пучке обычно соединены непосредственно с фотоэлектронным умножителем («ФЭУ») 72. ФЭУ 72 использует высокое напряжение постоянного тока величиной, например, приблизительно 1000 вольт, которое подается источником 76 высоковольтного питания. В показанном примере постоянный ток от ФЭУ 72 подается в схему предусилителя 78 для преобразования токового выхода в сигнальной линии 74 в выходное напряжение в сигнальной линии 80. В некоторых вариантах осуществления для регистрации 50-100-наносекундных импульсов, выдаваемых сцинтиллирующими волокнами 62, предусилитель 78 может использовать широкополосный операционный усилитель с напряжением обратной связи с очень низкими искажениями.

Выход цепи предусилителя 78 по сигнальной линии 80 подается на неинвертирующий вход ультрабыстрого прецизионного компаратора 82. Инвертирующий вход этого компаратора может быть соединен с опорным напряжением 84 по сигнальной линии 86. В дополнение к подсчету импульсов, поступающих от сцинтиллирующих волокон 62, можно также производить отслеживание 100 уровня энергии, который имеется в пике излучения второго сцинтиллирующего материала 70. Выход компаратора 82 по сигнальной линии 88 может быть подан в линейный возбудитель 98.

Во время работы часть излучения, испущенного из источника 68, которая проходит через продукт 66, падает на пучок сцинтиллирующих волокон 62, которые в ответ испускают сцинтиллирующий свет. Фотоны сцинтиллирующего света, испущенные в пучке 62, передаются вдоль отдельных волокон вследствие близких к полному внутреннему отражению свойств волокон и падают на ФЭУ 72, в котором эти фотоны усиливаются и преобразуются в сигнальный ток в сигнальной линии 74. Полученный сигнальный ток характеризуется случайно распределенными импульсами различной высоты, каждый из которых соответствует импульсу света, возникшему вследствие попадания излучения на пучок волокон 62.

Предусилитель 78 преобразует этот сигнальный ток в подаваемое по линии 80 сигнальное напряжение, которое имеет распределенные импульсы различной высоты, каждый из которых соответствует импульсам сигнального тока в сигнальной линии 74. Компаратор 82 сравнивает эти импульсы напряжения с пороговым значением, установленным опорным напряжением 84, и генерирует цепочку цифровых импульсов. Каждый цифровой импульс отражает один пик сигнального напряжения, который превысил пороговое значение. Затем эти цифровые импульсы могут быть использованы для определения, в данном примере, уровня материала 66 в резервуаре. Дополнительно могут измеряться и отслеживаться (100) фотопики для дополнительных пиков над вторым уровнем энергии или вторым уровнем светового выхода, обусловленные сцинтилляцией световых фотонов второго сцинтиллятора 70. После этого блок 102 управления усилением ФЭУ 72 может соответствующим образом регулировать усиление ФЭУ 72 с учетом любого дрейфа внутри системы.

Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано посредством описания одного или нескольких вариантов осуществления и хотя эти варианты осуществления описаны в деталях, эти детали не предназначены для сужения или ограничения каким бы то ни было образом объема изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения, этими деталям. Более того, хотя метод автоматического управления усилением был показан на примере измерений уровней, этот метод в равной степени применим к измерениям плотности, детектирования радиоактивности, весовым измерениям и т.д. Далее, этот метод не ограничен пластиковыми или органическими сцинтилляторами. Данная методология применима к любому сцинтиллирующему материалу без детектируемого фотопика или какой-либо иной поддающейся распознаванию спектральной характеристики, используемому вместе со вторым сцинтиллирующим материалом, который обеспечивает отличающийся и более высокий уровень энергии, при том что эти два сцинтиллирующих материала во всем рабочем диапазоне имеют по меньшей мере одинаковые температурные характеристики. Специалистам в данной области техники будут очевидны дополнительные преимущества и модификации. Поэтому настоящее изобретение в его более широких аспектах не ограничено конкретными деталями, примерными устройствами или способами, а также показанными и описанными иллюстративными примерами. От таких деталей, соответственно, могут быть сделаны отклонения без отклонения от объема общей идеи изобретения.

1. Детектор ядерного облучения, содержащий
первый сцинтиллирующий материал, имеющий температурную зависимость светового выхода и выход, зависящий от излучения, испущенного из источника ионизирующего излучения, причем выход первого сцинтиллирующего материала находится на первом энергетическом уровне;
второй сцинтиллирующий материал, имеющий температурную зависимость светового выхода и выход, зависящий от излучения, испущенного из источника ионизирующего излучения, причем выход второго сцинтиллирующего материала находится на втором энергетическом уровне, отличающемся от первого энергетического уровня; и
схему детектирования, включающую в себя:
общий фотоэлектронный умножитель, сконфигурированный для преобразования фотонов, выходящих из первого сцинтиллирующего материала и из второго сцинтиллирующего материала, в электрические импульсы;
схему счетчика, сконфигурированную для подсчета электрических импульсов, сгенерированных в фотоэлектронном умножителе первым и вторым сцинтиллирующими материалами; и
схему управления усилением, сконфигурированную для отслеживания электрических импульсов, сгенерированных в фотоэлектронном умножителе вторым сцинтиллирующим материалом, которые превышают электрические импульсы от первого сцинтиллирующего материала, и дополнительно сконфигурированную для регулировки усиления детектора на основе детектирования дрейфа выхода второго сцинтиллирующего материала.

2. Детектор по п. 1, в котором второй сцинтиллирующий материал введен в первый сцинтиллирующий материал.

3. Детектор по п. 1, в котором второй сцинтиллирующий материал смежен с первым сцинтиллирующим материалом.

4. Детектор по п. 3, в котором выходы первого и второго сцинтиллирующих материалов передаются через световод.

5. Детектор по п. 1, в котором второй сцинтиллирующий материал расположен между первым сцинтиллирующим материалом и фотоэлектронным умножителем, а выход первого сцинтиллирующего материала направляется через второй сцинтиллирующий материал.

6. Детектор по п. 1, в котором первый и второй сцинтиллирующие материалы не находятся в контакте один с другим, а выходы от первого и второго сцинтиллирующих материалов направляются через световоды.

7. Детектор по п. 1, в котором первый сцинтиллирующий материал является одним из пластикового сцинтиллирующего материала и органического сцинтиллирующего материала.

8. Детектор по п. 1, в котором второй сцинтиллирующий материал является неорганическим сцинтиллирующим материалом, имеющим световой выход сцинтилляции, больший, чем световой выход первого сцинтиллирующего материала.

9. Детектор по п. 8, в котором неорганический сцинтиллирующий материал выбран из группы, состоящей из YSO, YAP, LSO и LYSO.

10. Детектор по п. 1, в котором второй сцинтиллирующий материал содержит элементы, выбранные из группы, состоящей из GSO, LGSO, LI, LF, LaCl3, WAG, SrI и их комбинаций.

11. Детектор по п. 1, в котором второй энергетический уровень больше, чем первый энергетический уровень.

12. Детектор по п. 1, в котором общий фотоэлектронный умножитель имеет вход, который соединен с обеими выходом первого сцинтиллирующего материала и выходом второго сцинтиллирующего материала.

13. Способ управления усилением детектора ядерного облучения, включающий в себя:
испускание излучения из источника ионизирующего излучения,
генерацию первого выхода, зависящего от испущенного излучения, принятого первым сцинтиллирующим материалом, имеющим температурную зависимость светового выхода, при этом первый выход находится на первом энергетическом уровне путем подачи света, сгенерированного первым сцинтиллирующим материалом, на общий фотоэлектронный умножитель;
одновременную генерацию второго выхода, зависящего от испущенного излучения, принятого вторым сцинтиллирующим материалом, имеющим температурную зависимость светового выхода подобно первому сцинтиллирующему материалу путем подачи света, сгенерированного вторым сцинтиллирующим материалом, на общий фотоэлектронный умножитель, при этом второй выход находится на втором энергетическом уровне, отличающемся от первого энергетического уровня;
определение количества электрических импульсов, ассоциированных с первым выходом; и
определение регулировки усиления детектора на основании второго выхода.

14. Способ по п. 13, в котором определение количества электрических импульсов, ассоциированных с первым выходом, включает в себя
преобразование первого выхода в последовательность электрических импульсов; и
подсчет электрических импульсов.

15. Способ по п. 13, в котором определение регулировки усиления детектора на основании второго выхода включает в себя
идентификацию различимой спектральной характеристики во втором выходе;
отслеживание изменения в этой различимой спектральной характеристике, обусловленного изменением температуры; и
регулировку усиления детектора для компенсации изменения различимой спектральной характеристики, обусловленного изменением температуры.

16. Способ по п. 15, в котором различимой спектральной характеристикой является фотопик.

17. Способ по п. 15, в котором различимой спектральной характеристикой является энергетический рабочий диапазон.

18. Способ по п. 13, в котором второй выход зависит от естественно возникающего источника излучения из лютеция.

19. Способ по п. 13, в котором второй энергетический уровень больше, чем первый энергетический уровень.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ядерной физике, конкретнее к устройствам для стабилизации и корректировки коэффициента передачи сцинтилляционного детектора, и может быть использовано в приборах и системах для измерения ионизирующих излучений.

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике и радиационному приборостроению и может быть использовано в радиометрической и спектрометрической аппаратуре, а также в радиационных приборах контроля различных технологических параметров с применением сцинтилляционных счетных и спектрометрических блоков детектирования.

Изобретение относится к ядерной физике, конкретнее к способам и устройствам корректировки и стабилизации измерительных трактов радиоизотопных устройств. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам стабилизации показаний сцинтилляционных детекторов при работе в широкой области изменения температур окружающей среды, в частности при работе в полевых условиях.

Изобретение относится к детектору, предназначенному для измерения ионизирующего излучения, предпочтительно -излучения и рентгеновского излучения, содержащий сцинтиллятор и детектор света, детектор света стабилизирован благодаря использованию предварительно заданного источника света, предпочтительно светодиода (СД), где длительность и/или форма световых импульсов источника света отличаются от длительности и/или формы световых импульсов, излучаемых сцинтиллятором.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению ионизирующих излучений с помощью сцинтилляционного детектора, и может быть использовано для стабилизации чувствительности сцинтилляционного детектора в области спектрометрии ионизирующих излучений ( , , , n) для радиационных мониторов ядерных материалов (ЯМ) и/или радиоактивных веществ (РВ).

Изобретение относится к радиоизотопным устройствам, предназначенным для контроля технологических параметров производственных процессов, а конкретно, к способам стабилизации тракта регистрации гамма-излучения.

Изобретение относится к ядерной физике, конкретнее к способам и устройствам корректировки и стабилизации измерительных трактов радиоизотопных устройств, и может найти применение в пороговых регистраторах (релейных радиоизотопных приборах) для контроля параметров технологических сред в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике и радиационному приборостроению и может быть использовано в радиометрической и спектрометрической аппаратуре, а также в радиационных приборах контроля различных технологических параметров с применением сцинтилляционных счетных и спектрометрических блоков детектирования.
Наверх