Детектор ионизирующих излучений
Полезная модель относится к области радиометрии газообразных, жидких и твердых сред, и может быть применена в лабораторных исследованиях, при радиационном контроле окружающей среды. Детектор содержит слой зерен 2 люминофора, нанесенных на поверхность светопроводящего элемента в один слой, вплотную друг к другу, и закрепленых на ней прозрачным клеем 3. Клей 3 покрывает нижнюю часть каждого зерна 2, которой оно крепится к поверхности светопроводящего элемента, а остальная часть поверхности зерна 2 остается чистой. Средний линейный размер зерна 2 составляет от 1 до 900 мкм. Зерна 2 своим наибольшим размером сориентированы по нормали к поверхности светопроводящего слоя. Светопроводящий элемент выполнен в форме пластины, или шара, или стержня, или трубки, или витой пластины, или чаши, или фигуры вращения, при этом зерна люминофора нанесены на поверхность светопроводящего слоя по всей поверхности, кроме поверхности светосбора. Светопроводящий элемент является оптическим волокном или системой оптических волокон. Светопроводящий элемент выполнен из инертного к ионизирующим излучениям материала или из сцинтиллирующей пластмассы (поливинилтолуола или полистирола), или из двух слоев 4, 5, первый из которых соответственно выполнен из сцинтиллирующей пластмассы, а второй из инертного к ионизирующим излучениям материала. В качестве люминофора применен порошок сернистого цинка, активированного серебром или порошок фосфата стронция с активатором, или люминофор для регистрации тепловых нейтронов. Техническим результатом от применения предложенной полезной модели является значительное увеличение чувствительности, особенно в области частиц с малой энергией. Упрощается процесс изготовления сцинтиллятора, повышается повторяемость параметров детектора. Существенно расширяются возможности применения детектора. Повышена прочность детектора при соскобе люминофора и стойкость сцинтиллирующего слоя к ударам. 11 з.п. ф-лы.
Полезная модель относится к области радиометрии газообразных, жидких и твердых сред, и может быть применена в лабораторных исследованиях, при радиационном контроле окружающей среды, где возникает необходимость в контроле радиационной безопасности.
Известен детектор для определения активности нуклидов альфа- или бета-излучения (см. патент РФ 
2279692, G01T 1/20, 2005 г.), имеющей полимерную основу, наполненную сцинтиллирующим люминофором. Недостатком известного детектора является низкая эффективность при измерении альфа- или мягкого бета-излучения, обусловленная высоким поглощением в самом измеряемом материале (самопоглощением), что приводит к ограничению в использовании преобразователя, как правило только для жесткого бета-излучения. Недостатком является образование воздушных пузырьков при наполнении пленки люминофором и неравномерность распределения люминофора.
Наиболее близким к предложенному является детектор с осажденным и закрепленным слоем люминофора (см. Арсаев М.И., Кладов А.В., Никоноров А.Г., Юдин В.Н. «Методы получения детекторов на основе люминофора ZnS(Ag).», M., Ядерные измерительно-информационные технологии, 3, 2006 г., с.42-46). Недостатком детектора является низкая эффективность измерения, обусловленная закреплением люминофора раствором прозрачного лака, который, оседая на поверхности зерен люминофора, ослабляет альфа-излучение. Кроме того, детектор имеет неоднородную укрывистость поверхности зернами люминофора и недостаточно тонкий слой осажденного люминофора, что существенно ограничивает возможность применения детектора, отрицательно влияет на спектр излучения.
Задачей решаемой предложенной полезной моделью является создание более чувствительного детектора для измерения альфа-излучения, или альфа- и бета-излучения одновременно или, в некоторых случаях, альфа-, бета- и фотонного гамма-излучения одновременно.
Техническим результатом от применения предложенной полезной модели является значительное увеличение чувствительности, особенно в области частиц с малой энергией. Упрощается процесс изготовления сцинтиллятора, повышается повторяемость параметров детектора. Существенно расширяются возможности применения детектора. Повышена прочность детектора при соскобе люминофора и стойкость сцинтиллирующего слоя к ударам.
Указанный технический результат достигается тем, что детектор ионизирующих излучений, содержит слой зерен люминофора, нанесенный на поверхность светопроводящего элемента, так что зерна люминофора расположены в один слой, вплотную друг к другу, и закреплены на поверхности светопроводящего элемента посредством прозрачного клея. Клей покрывает нижнюю часть каждого зерна, которой он крепится к поверхности светопроводящего элемента, а остальная часть поверхности зерна остается чистой.
Средний линейный размер зерна люминофора составляет от 1 до 900 мкм.
Зерна люминофора своим наибольшим размером сориентированы по нормали к поверхности светопроводящего слоя.
Не более одной трети поверхности зерна люминофора в его нижней части покрыто клеем.
Зерна люминофора закреплены на светопроводящем элементе посредством клея с постоянной липкостью на основе синтетического прозрачного полимера или посредством контактного клея на эпоксидной основе, или посредством контактного клея на основе поливинилтолуола, или посредством контактного клея на основе полистирола, или посредством клея с исчезающей постоянной липкостью на полиуретановой основе.
Светопроводящий элемент выполнен в форме пластины, или шара, или стержня, или трубки, или витой пластины, или чаши, или фигуры вращения, при этом зерна люминофора нанесены на поверхность светопроводящего слоя по всей поверхности, кроме поверхности светосбора.
Светопроводящий элемент является оптическим волокном или системой оптических волокон.
Светопроводящий элемент выполнен из инертного к ионизирующим излучениям материала.
Светопроводящий элемент выполнен из сцинтиллирующей пластмассы. В качестве сцинтиллирующей пластмассы применены поливинилтолуол или полистирол.
Светопроводящий элемент содержит два слоя, первый из которых выполнен из сцинтиллирующей пластмассы, а второй из инертного к ионизирующим излучениям материала.
В качестве люминофора применен порошок сернистого цинка, активированного серебром или порошок фосфата стронция с активатором, или люминофор для регистрации тепловых нейтронов.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен детектор в разрезе.
На фиг.2 изображен детектор, светопроводящий элемент которого выполнен двухслойным.
Полезная модель может быть осуществлена следующим образом. На поверхность светопроводящего элемента 1, нанесен слой зерен 2 люминофора, закрепленных на светопроводящем элементе посредством прозрачного клея 3. Клей покрывает нижнюю часть каждого зерна, которой оно крепится к поверхности светопроводящего элемента 1, а остальная часть поверхности зерна остается чистой.
Элемент 1 выполнен из инертного к ионизирующим излучениям прозрачного материала - полиметилметакрилата или стекла и т.п. В зависимости от типа люминофора получаем в результате альфа- или бета-детектор с высокой степенью регистрации соответствующих частиц и с повышенной устойчивостью к радиации. Для достижения лучшего результата, клеем покрыто не более одной трети нижней части зерна люминофора.
На фиг.2 представлен детектор с двухслойным светопроводящим элементом (см. фиг.2). Слой 4 выполнен из прозрачной сцинтиллирующей пластмассы, в качестве которой применены поливинилтолуол или полистирол, а слой 5 из инертного к ионизирующим излучениям прозрачного материала. Инертный к ионизирующим излучениям светопроводящий материал служит для проведения света к фотоприемнику. В результате получаем альфа- бета-детектор. Если толщину слоя сцинтиллирующей пластмассы рассчитывают из условий обеспечения хода жесткости для регистрации жестких фотонов гамма-излучения, то в результате получаем единый детектор
альфа- бета- гамма-излучения. При этом в регистрируемом спектре гамма- излучения не учитывается поток нейтронов.
Таким образом, при применении в светопроводящем элементе слоя сцинтиллирующей пластмассы, с нанесением на нее зерен люминофора, образуется фосвич-детектор, по-разному преобразующий в световые вспышки различные виды излучения: гамма-фотоны, альфа- и бета-частицы.
В качестве клея применен клей с постоянной липкостью на основе синтетического прозрачного полимера или контактный клей на эпоксидной основе, или контактный клей на основе поливинилтолуола, или контактный клей на основе полистирола, или клей с исчезающей постоянной липкостью на полиуретановой основе. Клеевой слой имеет толщину от 3 до 10 мкм, достаточную для прочного закрепления зерен люминофора, но при этом достаточно малую для пропускания бета-частиц без изменения энергии. В качестве люминофора применен порошок сернистого цинка, активированного серебром (марок ФС-4, PC-450 для регистрации альфа-излучения) или порошок фосфата стронция с активатором (марки PC-424 для регистрации бета-излучения), или люминофор для регистрации тепловых нейтронов (марки СЛ-6-5).
Светопроводящий элемент выполнен в форме пластины или стержня, или трубки, или витой пластины, или чаши, или фигуры вращения, при этом зерна люминофора нанесены на светопроводящий элемент по всей его поверхности, кроме поверхности светосбора. Или светопроводящий элемент является оптическим волокном или системой оптических волокон.
В процессе разработки детектора были изготовлены и испытаны модели с применением различных материалов, клеев, люминофоров.
По предложенной конструкции изготовлены детекторы, где поверхностная плотность нанесения люминофора соблюдается автоматически т.к. зависит от размеров зерен и равна для PC-450 - 1,54 мг/см2,
а для ФС-4 - 2,75 мг/см2. Усредненная толщина люминесцентного слоя зерен равна 
6 мкм и 11 мкм соответственно. Произведено сравнение свойств предложенного детектора и традиционного фосвич-детектора, произведенного методом осаждения (поверхностная плотность люминофора
PC-450 - 5 мг/см2, закрепляющего лака - 0,3 мг/см 2).
Проведены сравнительные испытания альфа-детекторов в одинаковых условиях, на источнике излучения плутоний 239. Одинарный слой зерен люминофора у новых детекторов снизил среднюю амплитуду импульсов регистрируемого альфа-излучения примерно на 30-40%, по сравнению с традиционным. Но, несмотря на малую толщину слоя, новые детекторы повысили эффективность регистрации альфа-частиц на 12-20%.
Проведены сравнительные испытания фосвич-детекторов в одинаковых условиях, с применением источника излучения углерод-14. Проведенные испытания показали что, предложенный детектор регистрирует бета-излучение со значением 350-400 имп./сек., а традиционный только 130 имп./сек. Чистый поливинилтолуол регистрирует 760-800 имп./сек., с клеевым слоем поверхностной плотностью 0,6 мг/см 2 - 580-610 имп./сек. За счет снижения количества люминофора в слое, фон блока детектирования с эффективностью регистрации около 40%, снижен более чем в 2 раза, а эффективность регистрации бета-излучения в новом фосвич-детекторе увеличилась в 3 раза.
Плотный одинарный слой зерен люминофора более полно регистрирует альфа-излучение, отсутствие на поверхности люминофора органического закрепляющего лака позволяет регистрировать альфа-частицы низких энергий. Ориентация зерен по нормали к поверхности снижает фон блока детектирования, при этом возрастает эффективность регистрации бета-излучения. Эффективность регистрации альфа-излучения при ориентировании зерен люминофора незначительно возрастает.
Предложенный детектор технологичен, не имеет дефекта традиционного детектора, когда при случайном избыточном нанесении закрепляющего лака прекращается регистрация альфа-частиц низких энергий. Закрепляющий лак для люминофора у традиционного детектора приводит к растрескиванию диска из поливинилтолуола, т.е. портит пластмассовый бета-детектор. Новые детекторы при равных условиях показали более высокую прочностью при соскобе люминофора, более высокую стойкостью к ударам, более равномерным распределением люминофора по поверхности. Стабильность параметров детекторов соблюдается автоматически при использовании единой партии материалов в процессе производства.
Изготовлены детекторы альфа-излучения на люминофорах ФС-4 и PC-450. Люминофор был нанесен одинарным слоем на органическое стекло. Изготовленный альфа-детектор больше не имеет ограничения по площади и по форме поверхности. В производстве исключается брак, а механические нарушения, возникшие в процессе эксплуатации или транспортировки, легко исправляются.
Изготовлен детектор бета-излучения. Люминофор был нанесен одинарным слоем на органическое стекло. Изготовленный бета-детектор выполнен с применением люминофора PC-424 и плакирующего клея на полиуретановой основе. Результаты исследований показали, что эффективность регистрации у бета-детекторов приближена к эффективности детекторов из поливинилтолуола.
Изготовлены модели отдельно альфа- и отдельно бета-детекторов с нанесенным слоем порошка люминофора на неплоскую поверхность световода: на поверхности цилиндра, внутри трубки и на поверхности не цилиндрической фигуры вращения. Результатом проведенных изысканий является возможность создания новых приборов по обнаружению ионизирующих излучений в газообразных и жидких средах, а также замена трудоемких и вредных процессов при производстве пленочных сцинтилляторов, производимых по патенту РФ 2279692, G01T 1/20, 2005 г.
Изготовлены детекторы тепловых нейтронов с использованием люминофора СЛ-6-5. Люминофор был нанесен на прозрачный клей одинарным слоем на световод. Проведенные испытания показали, что по сравнению с детекторами, известными из вышеприведенных аналогов, возросла эффективность регистрации тепловых нейтронов при одновременном уменьшении расхода люминофора.
1. Детектор ионизирующих излучений, содержащий слой зерен люминофора, нанесенный на поверхность светопроводящего элемента, отличающийся тем, что зерна люминофора расположены в один слой, вплотную друг к другу, и закреплены на поверхности светопроводящего элемента посредством прозрачного клея, при этом клей покрывает нижнюю часть каждого зерна, которой он крепится к поверхности светопроводящего элемента, а остальная часть поверхности зерна остается чистой.
2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что средний линейный размер зерна люминофора составляет от 1 до 900 мкм.
3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что зерна люминофора своим наибольшим размером сориентированы по нормали к поверхности светопроводящего слоя.
4. Детектор по п.1, отличающийся тем, что не более одной трети поверхности зерна люминофора в его нижней части покрыто клеем.
5. Детектор по п.1, отличающийся тем, что зерна люминофора закреплены на светопроводящем элементе посредством клея с постоянной липкостью на основе синтетического прозрачного полимера или посредством контактного клея на эпоксидной основе, или посредством контактного клея на основе поливинилтолуола, или посредством контактного клея на основе полистирола, или посредством клея с исчезающей постоянной липкостью на полиуретановой основе.
6. Детектор по п.1, отличающийся тем, что светопроводящий элемент выполнен в форме пластины, или шара, или стержня, или трубки, или витой пластины, или чаши, или фигуры вращения, при этом зерна люминофора нанесены на поверхность светопроводящего слоя по всей поверхности, кроме поверхности светосбора.
7. Детектор по п.1, отличающийся тем, что светопроводящий элемент является оптическим волокном или системой оптических волокон.
8. Детектор по п.1, отличающийся тем, что светопроводящий элемент выполнен из инертного к ионизирующим излучениям материала.
9. Детектор по п.1, отличающийся тем, что светопроводящий элемент выполнен из сцинтиллирующей пластмассы.
10. Детектор по п.9, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллирующей пластмассы применены поливинилтолуол или полистирол.
11. Детектор по п.1, отличающийся тем, что светопроводящий элемент содержит два слоя, внешний из которых выполнен из сцинтиллирующей пластмассы, а второй из инертного к ионизирующим излучениям материала.
12. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминофора применен порошок сернистого цинка, активированного серебром, или порошок фосфата стронция с активатором, или люминофор для регистрации тепловых нейтронов.
