Способ улучшения спектрометрических свойств сцинтилляционного блока детектирования

 

(sl)s С О1 Т 1/20

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕHTHOE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 2640474/25 (22) 03.05.78 (46) 23.01.93. Бюл. 3 (72) В.Л,Янкелевич, Г.А.Кибальчич, Ю.A.Öèðëèí, P.Ë.Ãîsîðoaà аи А.ПаШабалтас (56) Глобус И.Е. Украинский физический журнал, 1970, т. 15, л! 2, с. 201..

Патент CM Y 3798448, кл, 25071 ° 5, 1974.

Патент США Р 3I02955, кл, 25071.5, 1960 (54)(57) 1. СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ СПЕКТРОИЕТРИ !ЕСКИХ СВОЙСТВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ, включающий выбор направления выхода света на фотоприемник и изменение условий отражения света путем матирования и полирования боковой поверхности сцинтиллятора, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетического разрешения путем выравнивания продольного распределения световыхода без подавления световыхода отдельных областей сцинтиллятора, регулируют величину продольного перепада световыхода путем чередования продольных матированных и полированных полос и изменяют в интервале от 0 до

1 долю S/S матированной или полированной поверхности S/R к полной пло" щади боковой поверхности S, при этом

Изобретение относится к регистра-1 ции и измерению параметров ядерного излучения, в частности к проблеме улучшения спектрометрических харак„„SU „„714909 А1, контролируют величину продольного пе1

Cg - Cg репада световыхода --------- и оптиС мальным,считают такое отношение $/$ при котором измеренная .величина

Са — СБ () принимает минимальное

С д значение, где S — площадь матированной или полированной части боковой поверхности,"

S0 - площадь боковой поверхности;

Сд - световыход при возбуждении

f удаленной от фотоприемника области сцинтиллятора, Cg - световыход при возбуждении близкой к фотоприемнику об.ласти сцинтиллятора, С вЂ” среднее значение световыходае

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что предпочтительное направление выхода света на фотоприСВ-Сь емник определяют из условия (-----) > ф, Ся- С О

С

) (------- -),где I и П соответстII

С венно выбранное и противоположное направления выхода света на фотоприен" ник со стороны торцов. теристик сцинтилляционных блоков детектирования (СБД). Способ может найти широкое применение при создании новых типов СБД, предназначенных для

7111909 решения актуальных научных и практических задач, связанных с измерением параметров ионизирующего излучения, а также в массовом производстве сцинтилляционных детекторов и СБД.

СБД нашли широкое применение в гамма-гамма- и нейтрон-гамма-каротаже. При этом СБД испо.пьзуются для регистрации гамма-излучения, падающего )О на детектор по направлениям, близким к радиальным, Диаметр детектора D or" раничен диаметром скважины. Поэтому чувствительность таких детекторов можно повышать только за счет увели- 15 чения длины Н. В этой связи особенно актуальной стала проблема улучшения спектрометрических свойств, в частности энергетического разрешения, СБД на основе "длинных" сцинтилляци- g0 онных детекторов. Вклад таких детекторов в разрешение СБД в основном определяется неоДнородностью продольного распределения световыхода.

Известно, что энергетическое разрешение СБД определяется как собственным разрешением сцинтилляционного детектора R, так и разрешением фо-. тоэлектронного умножителя (ФЭУ) R . 30

Обе эти величины зависят от оптических характеристик сцинтилляционного детектора. Величина R> тем меньше, т.е. разрешение ФЭУ тем лучше, чем выше световыход сцинтилляционного детектора, определяемый как с 2л„ (1) где (— сцинтилляционная эффективность

40 л коэффициент светособира ния, показывающий, какая часть полного светового потока сцинтилляции попадает на фотокатод. 45

Величина R в значительной мере определяется объемной неоднородностью световыхода детектора, т.е, флукл туациями величин и . Зависимость величины от координат сцинтилляции приводит к тому, что даже при однородном распределении сцинтилляционной эффективности сцинтилляции, вызванные в разных областях сцинтиллятора потоком моноэнергетического излучения, будут по разному облучать фотокатод и вызывать на выходе ФЭУ им пульсы различной амплитуды. Это обуславливает вклад неоднородности светособирания в энергетическое разрешение СБД. (I

Для получения хорошего энергетического разрешения необходимо создать определенные условия светособирания в сцинтилляционном детекторе, чтобы компенсировать неоднородность световыхода, вызванную свойствами материала и геометрической формой сцинтиллятора.

Известны способы обеспечения спектрометрических параметров СБД, основанные на выборе условий отражения света в сцинтилляционном детекторе.

По условиям отражения света на поверхности сцинтилляторы принято делить на зеркальные и диффузные. Однако в реальных сцинтилляционных детекторах, как правило, имеет место смешанное отражение, например полированный сцинтиллятор окружают диффузной светоотражающей оболочкой.

Обычно при изготовлении СБД на основе кристаллических сцинтилляторов, например NaJ (Ò1) все поверхности сцинтиллятора, кроме выходной, матируют.

Но и в этом случае отражение является не чисто диффузным (косинусным), а смешанным, так как всякий реальный матовый отражатель характеризуется эффективной зеркальностью (блеском).

Благодаря этому эффекту спектрометрические свойства матированных

11 сцинтилляторов с параметром --- 1

D оказываются лучше по сравнению с рассчитанными в предположении чисто, диффузного отражателя. Однако вклад зеркальной составляющей для матированных сцинти.пляторов практически невозможно проконтролировать, так как эффективная зеркальность является функцией угла падения света, т, е. зависит от координат сцинтилляции, и вносит свой вклад в неоднородность светособирания.

Теоретический расчет оптимального состояния поверхностей сцинтиллятора для обеспечения хорошего разрешения СДБ сильно усложняется действием факторов, связанных со свойствами вещества сцинтиллятора (распределение активатора, дефекты структуры, примеси и пр.). Разброс свойств кристаллов, связанный с несовершенствами технологии их получения, настолько велик, что. результаты расчета оказы 714909 6

ЗО

55 ваются практически неприменимыми к каждому образцу в отдельности. Это потребовало разработки способов выравнивания продольного распределения световыхода в сцинтилляционном детекторе как стадии технологического процесса производства СБД.

Известен способ улучшения спектрометрических свойств Cbfl, согласно которому компенсации продольной неоднородности световыхода достигают за счет уменьшения светособираиия из области с повышенным световыходом, изменяя условия отражения света боковой поверхностью сцинтиллятора, Для этого выбранный участок поверхности кристалла покрывают материалом с показателем преломления около 1,5. При этом увеличивается критический угол полного внутреннего отражения в кристалле (показатели преломления для кристаллов NaJ (Tl) и CsJ (Na) равны соответственно 1,85 и

1,79) и, следовательно, увеличивается доля светового потока, выходящего из кристалла через данный участок боковой поверхности. Предлагается также наносить покрытия с различными показателями преломления и многослойные покрытия, регулируя тем самым степень воздействия на тот или иной участок сцинтиллятора. В частности, в качестве материала покрытия используют эпоксидную смолу.

Недостатком этого способа является неизбежное снижение среднего световыхода сцинтилляционного детектора.

Наиболее близким к предложенному

I является сйособ улучшения спектрометрических свойств СБД, включающий выбор направления выхода света на фотоприемник и изменение условий отражения света путем матирования и полирования боковой поверхности сцинтиллятора. Кольцевые участки боковой поверхности сцинтиллятора в области с повышенным световыходом полируют, а в области с более низким световыходом матируют. Известно, что характе" ристики сцинтилляторов с большим отношением Н/D могут изменяться при изменении положения сцинтиллятора отно.сительно ФЭУ на противоположное. Поэтому с самого начала выбирается то положение сцинтиллятора, при котором

СБД имеет наиболее высокие характеристики (световыход и разрешение).

Кроме того, участки сцинтиллятора, где световыход высок, оснащают менее эффективным наружным отражателем.

Применяют также смеси различных материалов отражателя, осуществляя таким образом постепенное изменение коэффициента отражения вдоль оси сцинтиллятора. Ясно, что поскольку максимально эффективным отражателем можно снабдить в принципе любой участок сцинтиллятора, сущность способа заключается в подавлении светового сигнала из областей с высоким световыходом до уровня областей с низким световыходом, Это приводит к неизбежному снижению среднего световыхода, что является,существенным недостатком описанного способа.

Кроме того, покрытие хрупкого сцинтилляционного кристалла, например

NaJ (Т1), твердым материалом ухудшает эксплуа ационные качества конструкции

СБД, ограничивая его применение в условиях воздействия механических и климатических нагрузок.

Следовательно, при таком способе осуществляется принцип: продольному распределению световыхода сцинтиллятора противопоставляется искусственно созданное распределение эффективности отражения и поглощения света боковой поверхностью сцинтиллятора и оболочкой.

При подавлении световыхода определенной области кристалла (с целью улучшения его однородности) возника" ет проблема соотношения локального и общего воздействия. Действительно, при ухудшении отражения света на участке боковой поверхности прозрачного сциитиллятора в определенной мере уменьшается светособирание и из других областей. Чем больше общее воздействие по сравнению с локальными, тем слабее проявляется эффект выравнивания световыхода и тем больше уменьшается среднии световыход детектора,.

В любом случае побочным эффектом применения таких способов оказываетcR уменьшение среднего световыхода детектора, что приводит к ухудшению разрешения ФЭУ и, следовательно, общего разрешения СБД.

Поэтому описанный способ может успешно применяться для не очень длинных сцинтилляторов, в которых продольная неоднородность световыхода относительно невелика.

/ 4909

Значительно развившаяся за последнее время технология получения и обработки кристаллов позволяет изготавливать кристаллические сцинтилляторы в широком диапазоне геометрических форм и размеров, в том числе и сцинтилляторЪ| с большим отношением

Н/D, обладающие высокой чувствительностью регистрации радиально палающего гамма-излучения на единицу площади сечения.

Однако свойственная таким сцинтилляторам значительная продольная неод-. нородность световыхода и ограниченность известных способов ее устранения приводит к тому, что приборы на основе таких сцинтилляторов имеют плохие спектрометрические характеристики. Разброс световыхода в таких сцинтилляторах сравним с егo средним значением. В этих случаях известные способы компенсации продольной неоднородности световыхода оказываются мало эффективными, поскольку эффект снижения световыхода превышает эффект его выравнивания.

Цель изобретения — улучшение энергетического разрешения СБД путем выравнивания продольного распределения световыхода без подавления световыхода отдельных областей сцинтиллятора.

Это достигается тем, что при осуществлении известного способа улучшения спектрометрических свойств СБД, включающего выбор направления выхода света на Фотоприемник и изменение условий отражения света путем матирования и полирования боковой поверхности сцинтиллятора, регулируют величину продольного перепада световыхода путем чередования на боковой поверхности сцинтиллятора продольных матированных и полированных полос и изменяют в интервале от 0 до 1 долю S/$„ матированной или S/R полированной поверхности к полной площади боковой поверхности S, при этом контролируют величину продольного световыхода

СЭ- С и оптимальным считают таС кое отношение S/$,, при котором изCg- Cg меренная величина (---------) приниС . мает минимальное значение, где S - площадь матированной или полированной части боковой поверхности;

$ — площадь боковой поверхности; о

С вЂ” световыход при возбуждении удаленной от фотоприемника области сцинтиллятора, 5

С - световыход при возбуждении близкой к фотоприемнику области сцинтиллятора, — среднее значение световыхода.

Предпочтительное направление выхода света на фотоприемник определяют из условия ,«Са - CS ) (Сз - С )

1 И

С С где I u II — соответственно выбран- ное и противоположное направления выхода света на фотоприемник со стороны торцов. На боковой поверхности

20 сцинтиллятора равномерно распределяют матированные и полированные участки. Эти участки представляют собой продольные полосы, направленные от одного торца сцинтиллятора к другому.

25 Изменяя соотношение площадей матированных и полированных участков, регулируют соотношение зеркальной и диффузной компонент отражения и света боковой поверхностью сцинтиллятоЭО ра и таким образом управляют продольным перепадом световыхода, сводя его к минимуму. Эффект предлагаемого способа состоит в том, что отношение зеркальной и диффузионной компонент отражения, которое невозможно измерить непосредственно, заменяется пропорциональной ему величиной - отношением площадей полированной и матированной частей боковой поверхности, которое можно плавно изменять.

Для сохранения азимутальной однородности полосы располагают симметрично относительно продольной оси сцинтиллятора. При этом ширина полос матирования должна быть достаточно большой по сравнению с размером шероховатостей поверхности, Продольный перепад световыхода контролируют путем измерения величины (С д — Cy) /С.

Оптимальным нужно считать такое соотношение площадей полированных и матированных участков, при котором

Са- Сь величина --------- принимает мини-

55 С мальное значение.

Алгебраическая величина (C> -С )/

/С принимает максимальное значение

9 71 при S„/S = 1 и минимальное при д/ВФ 0ь где S — суммарная площадь полирован И

НЫХ ПОЛОС

S0 — площадь боковой поверхности сцинтиллятора.

Для сцинтилляторов, у которых са — сь

) 0

Б„/Б = 1

СЯ - Сь (О, В /Во оптимальное значение S /S лежит внутри интервала (0,1). В противном случае оптимальным считают значение

Са-Сь

О )0

S /S =О

С

Sn

So т.е. боковую поверхность сцинтиллятора полностью матируют либо полностью полируют.

Предлагаемый способ включает также использование факторов, связанных с веществом сцинтиллятора. Действие этих факторов проявляется в том, что при изменении положения сцинтиллятора относительно фотоприемника (направления выхода света) на противоположное изменяется величина (Са-Cg)/

/С.

Н

Для сцинтиллятора с --- )1 предD ложен следуюций критерий выбора положения относительно фотоприемника.

Пусть I u II - соответственно два взаимно противоположных положения сцинтиллятора относительно фотоприемника. Предпочтение ртдается положе нию I, если выполняется условие

Са - Сь" са- с (---------) (---------)

I — П

С . С

Таким образом, предлагается новый критерий выбора направления выхода света на фотоприемник - алгебраическая величина продольного перепада световыхода. При этом первоначально измеренное энергетическое разрешение в выбранном положении может быть хуже, чем в противопоставленном, так как сначала выбирают положение сцинтиллятора, а затем уже выравнивают световыход. Однако для сцинтиллято-

4909

5

40 ров с ---)1 описанный способ выравниН

D вания продольного распределения световыхода тем эффективнее, чем выше первоначальная алгебраическая величина (С g - -C )/С. Поэтому при выборе направления выхода света по предлагаемому критерию, описанный способ обеспечивает максимальное улучшение спектрометрических характеристик.

Преимуществом предлагаемого способа является возможность регулирования продольного перепада световыхода в широких пределах, обусловленная большим диапазоном изменения величины $/S+.

Существенным отличием предлагаемого с пособа я вля ется .сохра не ние од но ( родного состояния поверхности сцинтиллятора в направлении, в котором производится выравнивание распределения световыхода.

Другим существенным отличием предлагаемого способа является то, что при выравнивании распределения световыхода не прибегают к подавлению световыхода отдельных областей сцинтиллятора, благодаря чему обеспечивается световыход, близкий к максимально возможному. Это обеспечивает улучшение энергетического разрешения прибора.

Предлагаемый способ применен для сцинтилляционных кристаллов NaJ (Т1) и CsJ (Na) цилиндрической формы с различными отношениями высоты к диаметру.

На фиг, 1 представлена схема реализации предлагаемого способа, на фиг. 2, 3, 4 - графики зависимости световыхода от расстояния между зоной возбуждения и фотоприемником.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Полированный или матированный кристалл 1 устанавливают на ФЭУ 2 при выходе света из основания "а" и производят измерение продольного распределения световыхода С(Е} при облучении сцинтиллятора перпендикулярно его оси узким пучком гамма-излучения, где

Z — координата облучаемой зоны, изменяющаяся от Z = О до Z = Н, Выбор полированной или матированной поверхности кристалла для первоначальных

Г измерений закономерно определяется величиной отношения H/D, хотя бывают исключения. Чем больше Н/D, тем пред71 почтительнее полирование. Аналогично проводится измерение продольного распределения световыхода C(Z) при выходе света из основания нб". Если измеряется полированный кристалл, то выбирается основание, обеспечивающее возрастающий ход зависимости C(Z).

Затем путем симметричного нанесения на кристалл матированных полос и измерения продольного перепада (С -С g) /

/С сводят его к минимальному значению, изменяя величину площади матированных полос 3 (см. фиг. 1). Если измеряется матированный кристалл, что выбирается основание, обеспечивающее минимальное убывание зависимости

C(Z), а затем аналогично на кристалл наносятся полированные полосы и измеряется продольный перепад (С -СБ)/С, который сводят к минимальному значению, увеличивая площадь полированных полос 4 (cM. фиг, 1).

Пример 1. Берут кристалл

CsJ (Na) диаметром 30 мм и высотой

250 мм, зависимость C(Z) для этого образца с матированной и полированной боковой поверхностью показана на фиг. 2 - соответственно кривые Т и

II (кривая III по известному cnoco6y). Из этих кривых видно, что действительно при больших Н/В (в данном случае более 8) целесообразно полирование всей боковой поверхности при первоначальных измерениях, так как для выравнивания продольного перепада требуется очень малая площадь матированных полос (174; 4 матированных полосы шириной 4 мм) - кривая IV на фиг. 2. При этом достигается практически равномерное распределение световыхода при его среднем значении, близком к максимальному. В результате применения предлагаемого способа достигается разрешение СБД, равное 131. При применении известного способа обеспечивается разрешение, равное 17,83. Кривая C(Z) для полученного детектора представлена на фиг. 2 (кривая III) .

Пример 2. Берут кристалл

CsJ (Na) диаметром 35 мм и высотой

250 мм. Измерения всей полированной боковой поверхности при выходе света из различных оснований показывают различные зависимости C(Z) — кривые

I u III (см. фиг. 3). S соответствии с изобретением выбирают положение, при котором C(Z) возрастает (кривая

4909 12

III). Затем на боковую поверхность кристалла наносят продольные матированные полосы и, изменяя их площадь, контролируют величину (Сд-СБ)/С. При матировании 224 площади боковой поете верхности величина (-- -«----) не

С превышает ошибки измерения (см. кривая II на фиг. 3). При этом обеспечивается разрешение, равной 11,9i.

Пример 3. Берут два кристалла Na J (Tl) Размером 70 х160 мм - образец 1 и размером 70 250 мм - образец 2. Применяют предлагаемый способ (см. фиг. 4). Распределение C(Z) для образца 1 остается несколько убывающим даже при полировании всей боко20 вой поверхности (площадь мати рова нных полос равна О, см. фиг. 4, кривая I) .

Это связано с индивидуальными свойствами образца 1, Однако и в этом случае применение предлагаемого способа

25 позволяет получать практически равномерное распределение световыхода и в результате хорошее разрешение (9,1i).

Применение предлагаемого способа к образцу 2 показало, что оптимальные

ЗО условия светособирания достигаются при матировании 903 боковой поверхности (кривая III на фиг. 4), хотя высота его больше, чем образца 1 и из теоретических соображений оптимальная зеркальность его боковой поверхности должна быть больше, Образец 2 имеет особенности, противоположные образцу 1, но и в этом случае применение предлагаемого способа позволило обеспечить высокую равномерность световыхода и хорошее разрешение (9,23).

Из данных примеров видно, что применение предлагаемого способа к различным реальным кристаллам с высотой в несколько раз большей диаметра (Н/Л > 1) практически позволяет свести к нулю неравномерность световыхода по высоте и в результате обеспечить для таких сцинтилляторов разрешение, характерное для кристаллов с н = в (9-133).

Следовательно, улучшение разрешения сцинтилляторов с большим отношением Н/D до 9-133 позволит значительно увеличить чувствительность спектрометров и эффективность использования объема сцинтиллятора при малых диаметрах сцинтилляционных детектою ы

4Ье 2

Фиг 1

%

Зе4

4 е,т 10 15 Ы gg 2, cw

4Ъз. Ф

Р х /О 15 РО 25 Zgw

Фау. р

Составитель Т.Шарганова редактор Т.Шарганова Техред И.йоргентал Корректор И,Иуска

Заказ 1088 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета .по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

1З 71 ров, что в некоторых случаях, например при радиоактивном наротаже сква- 1 жин, имеет решающее значение и обес-, печивает значительный экономический эффект (1-1,5 млн.руб. в год на одЕ

4909 14 ной скважине) . Кроме того, такие СЕД находят широкое применение прн решении самых различных радиометрических