Сцинтиллирующий детектор

Авторы патента:

G01T3/06 - с помощью сцинтилляционных детекторов

Полезная модель относится к регистрации и обнаружению источника ионизирующего излучения на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д. Техническим результатом полезной модели является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, повышение эффективности сбора света, возникающего в сцинтилляторе повышение пространственного разрешения регистрации ионизирующей частицы. Технический результат достигается тем, что детектор выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующий пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд закрепленных светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены, по крайней мере, на одном торце пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. 1 с.п.ф. 3 илл.

Известен многослойный детектор, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, изготовленных из набора материалов, плотность которых монотонно возрастает от первого ряда к последнему слою и фотоприемники. Рекламный листок Института физики твердого тела Российской Академии Наук, Черноголовка, Московской области. 2005 г. «Антитеррористические просвечивающие установки для экспрессного выявления взрывчатых веществ».

Недостатком такого детектора в целом является необходимость получения изображения скрытых предметов при их просвечивании в явочном порядке. Детектор предназначен для регистрации лишь одного типа излучения, а именно, рентгеновского и не может регистрировать нейтронное излучение.

Известен сцинтиллирующий детектор, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники. В детекторе сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением, на одной из граней каждого стержня выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, фотодиоды обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. Патент Российской Федерации на полезную модель №54440, МПК: G01Т 3/06, 2006 г. Прототип. Прототип обладает низкой технологичностью изготовления детектора (обработка каждого отдельного стержня, выполнение в нем канавок и т.п.). Задачей полезной

модели является разработка технологичного детектора излучений для визуализации пространственного распределения плотности потока ионизирующих излучений с улучшенными свойствами: повышенной эффективностью, стабильностью, механической прочностью, сроком службы. Разработка детекторов практически любой площади, не требующих высоковольтного питания, специальных помещений и т.п.

Техническим результатом полезной модели является расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, повышение эффективности сбора света, возникающего в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы и его транспортировки к фотодиодам, повышение пространственного разрешения регистрации ионизирующей частицы.

Технический результат достигается тем, что в сцинтиллирующим детекторе, содержащем блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах которых расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, блок сцинтиллирующих оптических элементов выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд закрепленных светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены, по крайней мере, на одном торце пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. По крайней мере, одна пластина покрыта, по крайней мере, с одной стороны светопоглощающим слоем, выполненным из материала с тем же коэффициентом преломления, что и у сцинтиллирующей пластины для поглощения света от сцинтилляционной вспышки.

Сущность полезной модели поясняется на фиг.1-3. На фиг.1 представлена схема однокоординатного детектора, где: 1 - сцинтиллирующая пластина, 2 - светопереизлучающие волокна, 3 -

фотодиоды. На фиг.2 представлено устройство однокоординатного детектора со светопоглощающими слоями, где: 1 - сцинтиллирующая пластина, 2 - светопереизлучающие волокна, 4 - светопоглощающие слои (пластины). На фиг.3 схематично представлена электронная схема с двумя усилителями, двумя дискриминаторами и схемой совпадений, где: 3 - фотодиоды, 5 - первый аналоговый усилитель, 6 - второй аналоговый усилитель, 7 - первый аналоговый выход, 8 - второй аналоговый выход, 9 - первый дискриминатор, 10 - второй дискриминатор, 11 - схема совпадений.

Сцинтиллирующий детектор (фиг.1) состоит из сцинтиллирующей пластины 1, выполненной из пластмассы, органического кристалла, кристаллического сцинтиллятора, сцинтиллирующего стекла с встроенными светопереизлучающими волокнами 2, на торцах которых расположены фотодиоды (фотоприемные устройства). При прохождении через сцинтиллирующий детектор ионизирующей частицы сигнал возникает в нескольких ближайших фотодиодах 2, количество которых определяется количеством рожденных фотонов. Определение координаты сцинтилляционной вспышки проводят на основании сравнения амплитуд сигналов поступивших с различных фотодиодов 2 и нахождения центра тяжести пространственного распределения этих сигналов. При прохождении через сцинтиллирующую пластину 1 ионизирующей частицы в ней рождаются фотоны, распространяющиеся во все стороны. Часть фотонов проходит через светопереизлучающие волокна 3, в которых первичные фотоны частично (примерно с вероятностью 0,8) захватываются и излучают вторичные фотоны с большей длиной волны. Частично (примерно 5%) вторичные фотоны за счет полного внутреннего отражения на границе волокно и его оболочка доходят до торца волокна, где попадают на фотоприемное устройство - фотодиоды 3. В зависимости от типа используемого фотоприемного устройства (ФЭУ или фотодиода) вторичные фотоны генерируют с вероятностью от 0,1 до 0,8 в фотоэлектроны.

Полученный электронный сигнал поступает на вход электронной схемы (фиг.3), предназначенной для дискриминации и усиления сигнала. Электронная схема может содержать также элементы отбора сигналов по совпадениям или антисовпадениям. Амплитуда сигнала, поступающего с того или иного фотодиода 3, зависит от расстояния между светопереизлучающим волокном 2 и треком ионизирующей частицы. При толщине сцинтиллирующей пластины 1, равной диаметру светопереизлучающего волокна 2, сигнал поступает только с двух смежных устройств. Пространственная координата определяется по соотношению сигналов поступивших с нескольких фотодиодов 3 во временном окне, устанавливаемом в зависимости от типа сцинтиллятора, и характеристик электронной схемы. Для улучшения пространственного разрешения на поверхности сцинтиллирующей пластины 1 расположены (фиг.2) светопоглощающие слои (пластины) 4 из материала с тем же коэффициентом преломления и поглощающие свет от сцинтилляционной вспышки, распространяющийся в направления, где светопереизлучающие волокна 2 отсутствуют. При отсутствии светопоглощающих слоев (пластин) 4 свет может попасть на светопереизлучающие волокна 2 за счет полного внутреннего отражения на границе сцинтиллирующая пластина 1 - воздух, что приводит к меньшей зависимости сигнала от расстояния между светопереизлучающим волокном 2 и треком и ухудшению пространственного разрешения. Для уменьшения потерь света светопереизлучающие волокна 2 со сцинтиллирующей пластиной 1 соединяют с помощью оптического контакта (клея) - иммерсионной среды с близким (материалов волокна, коэффициентом преломления. Сцинтиллирующие пластины 1 со светопереизлучающими волокнами 2 и фотодиодами 3 покрыты светоотражающим (типа TYVEK) и светозащитным материалами (фирмы Дюпон). Светопереизлучающие волокна 2 обеспечивают эффективный сбор света, возникающего в сцинтиллирующей

пластине 1 при прохождении ионизирующей частицы и транспортировке света к фотодиодам 3. Фотодиоды 3 подключены к электронной схеме (плате), которая при поступлении сигнала с фотодиода 3 вырабатывает аналоговый сигнал, оцифровывает его и заносит в выходной регистр с указанием времени прихода, номера светопереизлучающего волокна 2 и амплитуды его сигнала (Фиг.3). Сигнал с фотодиода 3 поступает на аналоговый усилитель 5 и/или 6, после которого аналоговый сигнал амплитудой 120 мВ на 1 МэВ поглощенной в сцинтиллирующей пластине 1 энергии частицы, длительностью примерно 100 нс, поступает одновременно на дискриминатор 10 и/или 10 с регулируемым порогом дискриминации и на соответствующий аналоговый выход. В случае применения двух фотодиодов 3 логические сигналы с дискриминаторов идут на схему совпадений 11. Если на обоих входах схемы совпадений 11 появляются сигналы, схема совпадений вырабатывает сигнал, который хранится в выходном регистре схемы. Внешний контроллер опрашивает выходные регистры схем совпадений 11 и в случае наличия в нем сигнала (запроса) осуществляет считывание сигнала с аналогового выхода для его передачи в компьютер для дальнейшей оцифровки и анализа. При этом регистрируется также время прихода запроса и номер регистра (номер фотодиода). Материал сцинтиллирующих пластин 1 для регистрации тепловых нейтронов представляет собой литий содержащее сцинтиллирующее стекло. Материал сцинтиллирующих пластин 1 для регистрации заряженных частиц представляет собой сцинтиллирующее стекло или пластмассовый сцинтиллятор. Материал сцинтиллирующих пластин 1 для регистрации гамма излучения представляет собой сцинтиллирующее стекло, пластмассовый сцинтиллятор или пластины из NaI(Tl) с выходными окнами с двух сторон из стекла. Для повышения пространственного разрешения сцинтиллирующий детектор выполнен из нескольких слоев. Фотодиоды 3 примыкают к торцам светопереизлучающих волокон 2 с зазором 0,2-0,3 мм.

1. Сцинтиллирующий детектор, содержащий блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах которых расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, отличающийся тем, что блок сцинтиллирующих оптических элементов выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд закрепленных светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены, по крайней мере, на одном торце пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром.

2. Сцинтиллирующий детектор по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна пластина покрыта, по крайней мере, с одной стороны светопоглощающим слоем, выполненным из материала с тем же коэффициентом преломления, что и у сцинтиллирующей пластины для поглощения света от сцинтилляционной вспышки.