СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 1999 года по МПК G01T1/20 

Заявляемое устройство относится к детекторам ядерных бета-, гамма- и нейтронных излучений и может быть использовано для обнаружения нейтронов, обнаружения и идентификации радиоактивных веществ в системах индивидуальной дозиметрии и дозиметрии окружающей среды, в системах радиационного мониторинга местностей и морских акваторий, в системах таможенного радиационного контроля радиоактивных и делящихся материалов.

Известен сцинтилляционный детектор [1] бета- и гамма- излучения, в котором в качестве фотоприемника используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), а в качестве сцинтиллятора используют кристалл CsI-Tl. Последний имеет плотность 4,51 г/см³, световыход сцинтилляций до 0,45 относительно такового для NaI-Tl, максимум свечения 565 нм, длительность сцинтиимпульса 450 нс. Однако недостатком такого сцинтилляционного детектора являются большие габариты фотоприемника (ФЭУ), требуемое высоковольтное питание для ФЭУ, относительно невысокий световыход и большая длительность сцинтилляций.

Известен сцинтилляционный детектор [2] бета- и гамма- излучения, включающий сцинтилляционный кристалл BaF₂ (плотность 4,88 г/см³) и фотоэлектронный умножитель. Детектор имеет очень короткие сцинтилляции < 50 нс. Однако максимум спектра свечения BaF₂ лежит в ультрафиолетовой области спектра, λ =220 нм, т. е. кристалл BaF₂ в режиме обычной фотодиодной регистрация совершенно неэффективен. Недостатком известного сцинтилляционного детектора на основе BaF₂ является также то, что используемый в нем в качестве фотоприемника ФЭУ имеет большие размеры и требует высоковольтного питания, что увеличивает как габариты, так и стоимость детектора в целом.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов [1,2], включающий замедлитель из полиэтилена или полипропилена, сцинтиллятор ⁶LiI-Eu и ФЭУ. Сцинтиллятор имеет плотность 4,06 г/см³, сцинтилляционную эффективность 0,2-0,3 относительно таковой для NaI-Tl и длину волны излучения 460 нм. Однако такой сцинтилляционный детектор имеет очень большую длительность сцинтилляции τ = 1,4 мкс [1], требует высоковольтного питания для ФЭУ и имеет большие габариты.

Известен сцинтилляционный детектор [3] быстрых нейтронов, включающий замедлитель из полиэтилена, сцинтиллятор ZnS-Ag и ФЭУ. Сцинтиллятор имеет световыход, в 2 раза [4] превышающий световыход NaI- Tl и максимум спектра излучения при 450 нм. Однако такой детектор имеет большую длительность сцинтилляций ~ 1 мкс, не обеспечивает высокой загрузочной способности, имеет большие габариты.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов [5], включающий сцинтиллятор ZnS(Ag)-⁶Li и ФЭУ. Однако такой детектор имеет большую длительность сцинтилляций, τ = 2 мкс, и не обеспечивает повышенной загрузки, кроме того, он имеет большие габариты, связанные с большими размерами ФЭУ, и требует высоковольтного питания.

Известен сцинтилляционный детектор [1,6,7], включающий сцинтилляционный кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ и фотодиод, используемый в экспериментах в Европейском ядерном центре (ЦЕРН). Сцинтилляционный детектор имеет максимум свечения в области 540 нм, однако имеет световыход на уровне 0,1 относительно такового для NaI-Tl [1] и большую длительность свечения, τ =300 нс, что не позволяет обеспечить высокую загрузочную способность.

Известен сцинтиллятор Lu₂SiO₅-Ce [6], с максимумом спектра излучения при 420 нм. Однако он не пригоден для работы непосредственно в сочетании с кремниевыми PIN-диодами из-за весьма низкой чувствительности последних в области длин волн менее 500 нм.

Из всех известных сцинтилляционных детекторов наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор [8] с фотодиодной регистрацией - фотодиодный детектор фирмы SCIONIX Holland, SPD-2000, пригодный для регистрации рентгеновского (>60 кэВ) и гамма-излучения в промышленных и медицинских целях. Детектор имеет размеры: диаметр 40 мм, высота 50 или 70 мм. Он содержит кристалл CsI-Tl 10х10х10 мм и кремниевый PIN-диод с достаточно высокой спектральной чувствительностью в области длин волн, превышающих 500 нм. Однако известный сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией [8] обладает недостаточно высоким световыходом сцинтилляций, т.е. недостаточно высокой эффективностью регистрации рентгеновского и гамма-излучения, и большой длительностью сцинтиимпульса, τ =450 нс, т.е. невысокой загрузочной способностью.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности регистрации излучения и загрузочной способности сцинтилляционного детектора с фотодиодной регистрацией, не требующей высоковольтного питания.

Заявляемое устройство, предлагаемое для решения вышеназванной задачи, включает сцинтилляционный кристалл, кремниевый PIN-фотодиод. Между сцинтилляционным кристаллом и PIN-фотодиодом располагают сместитель спектра в виде сцинтиллирующей пленки толщиной несколько десятков микрон или в виде тонкого сцинтиллирующего кристалла.

Сущность изобретения заключается в том, что сцинтилляционный кристалл обеспечивает первичную регистрацию излучения, например, гамма-квантов, которые вызывают в кристалле-сцинтилляторе световые вспышки. Для повышения эффективности регистрации излучения и загрузочной способности сцинтилляционного детектора в качестве сцинтиллятора используют кристалл Lu₂SiO₅-Ce, у которого амплитуда сцинтилляций с максимумом спектра 420 нм и длительностью импульса 20 нс (в 200 раз более короткой, чем у CsI-Tl) в 8-11 раз превышает амплитуду сцинтилляций кристалла CsI-Tl. Для того, чтобы сцинтилляции кристалла Lu₂SiO₅-Ce могли быть зарегистрированы кремниевым PIN-диодом, чувствительным к световым импульсам с длиной волны 500-1100 нм (максимум в области 800-900 нм [9,10] ), они должны быть преобразованы в более длинноволновые сцинтилляции. Такое преобразование выполняет сместитель спектра, не затягивающий при этом сцинтилляционный импульс. Наиболее подходящим материалом для сместителя спектра являются сцинтиллирующие органические материалы со спектром свечения в области более 520 нм и длительностью сцинтиимпульсов порядка наносекунд, в частности, органический борсодержащий состав (C₅H₅N)₂B₁₀H₁₂ [11,12] со спектром свечения с максимумом в области 520-540 нм и длительностью сцинтиимпульсов 0,62 нс.

Предлагаемый сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией имеет ряд дополнительных преимуществ.

1. Использование соответствующих сместителей спектра, преобразующих коротковолновое излучение в длинноволновое: λ₁→ λ₂, где λ₂ ≥ 500 -1100 нм, а λ₁ 200-400 нм снимает ограничения на выбор сцинтиллятора, т.е. может использоваться сцинтиллятор с ультрафиолетовым и синим спектром свечения, чувсвительный как к гамма-, так и к бета-излучениям.

2. На базе предлагаемого устройства может быть создан сцинтиллирующий детектор быстрых нейтронов, если в качестве сцинтиллятора взять стильбен, после преобразования с помощью сместителя спектра синего свечения стильбена в желтое или красное, последнее будет зарегистрировано кремниевым PIN-диодом.

3. При регистрации гамма-излучения предлагаемый сцинтилляционный детектор может работать как в счетном, так и в спектрометрическом режимах.

ЛИТЕРАТУРА
1.Л.С. Горн, Б.И.Хазанов. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. Энергоатомиздат, М., 1989, 232 с.

2. Патент США N3382368.

3. Патент США N3398278.

4. В.И.Иванов. Курс дозиметрии. Атомиздат, М.,1970, 392 с.

5. N.J.Rodes, M.W.Jonson. The role of inorganic scintillators in neutron detector technology. Proceedirus of the Int. Conf. on inorganic scintillators and their applications. 1996, Delft, Netherlands, pp.73-80.

6. Викторов Л.В., Шульгин Б.В. /Неорганические сцинтилляционные материалы/ Изв. АН СССР. Неорг.материалы, 1991, т. 27, N10, с. 2005-2029.

7. С.Тинг. Установка ЛЗ, ЛЭП (ЦЕРН). Препринт, Ленинград, ЛИЯФ, 1987, 52 с.

8. Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SPD-2000. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992, 2 с.

9. Hamamatsu Technical Data Sheet (10х10 mm² sensitive area PIN silicon photocells S1723, S1790 Series.

10. Photodiode, Si, pin. "RECOM" LTD. Company Moscow. Реклама фирмы "Реком", Москва,1994 год.

11. Авт. свидетельство СССР N 1550925, 1989.

12. Авт. свидетельство СССР N 1351078, 1987.

Предложен сцинтилляционный детектор гамма-излучения с фотодиодной регистрацией. Суть изобретения заключается в том, что наряду со сцинтилляционным кристаллом и кремниевым РIN-фотодиодом детектор дополнительно содержит сместитель спектра в виде тонкой сцинтиллирующей пленки или тонкого сцинтиллирующего кристалла, размещенного между сцинтиллятором и фотодиодом. Данный сцинтилляционный детектор обладает повышенной сцинтилляционной эффективностью регистрации гамма-излучения и повышенной загрузочной способностью. Предложенный детектор может содержать кристалл Lu₂SiO₅-Ce или другие сцинтилляционные кристаллы, чувствительные к нейтронам и бета-излучению, например стильбен.

Сцинтилляционный детектор, включающий сцинтиллятор и кремниевый PIN-фотодиод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сместитель спектра в виде тонкой сцинтиллирующей пленки или тонкого сцинтиллирующего кристалла, размещенного между сцинтиллятором и кремниевым PIN-фотодиодом.