СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2002 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области детектирования скрытых источников нейтронного и гамма-излучения и может быть использовано в дозиметрической таможенной и криминалистической практике, а также в системах специального технического контроля, предназначенных для обнаружения и идентификации изделий из делящихся материалов (ДМ), являющихся источниками нейтронного и гамма-излучения, и материалов, относящихся к классу радиоактивных веществ (РВ) (гамма-источников); изобретение пригодно также для проведения глубоководной регистрации нейтрино в экспериментах типа "DUMAND".

Известны сцинтилляционные детекторы гамма-излучения, имеющие датчик из неорганического сцинтиллятора с фоточувствительным элементом (фотоэлектронным умножителем или фотодиодом) и блок электронной обработки сигналов [1-3] . Кристаллы сцинтиллятора (щелочно-галоидные кристаллы или кристаллы на оксидной основе) имеют обычно цилиндрическую форму диаметром от 10 до 150 мм и высотой от 10 до 150 мм, или они имеют квадратную форму 10х10х10 мм при фотодиодной регистрации. Эффективность регистрации гамма-излучения такими детекторами достаточно высока. Однако такие детекторы, в том числе переносные, не могут быть использованы для специального технического контроля при поиске ДМ и РВ в щелях, в узких трубах или других местах лабиринтного типа, куда доступ твердотельных негибких сцинтиблоков невозможен. Известные сцинтилляционные детекторы [1-3] не пригодны для использования в глубоководных детекторах типа DUMAND - ("Deep Underwater Muon and Neutrino Detector" - "Глубоководный детектор мюонов и нейтрино") [4].

Известен волоконно-оптический детектор [1]. В качестве датчика содержит нити из пластикового сцинтиллятора диаметром 1 мм, заполняющие люситовый каркас размером 100х100х100 мм. Такой детектор имеет низкую эффективность регистрации гамма-излучения, и, главное, он не предназначен для дистанционной работы в щелях или трубах лабиринтного типа глубиной до 10-15 м. Он не пригоден для глубоководной регистрации излучений из-за малой чувствительности.

Известен трековый детектор [5], датчик которого состоит из набора сцинтилляционных волокон на основе галогенидов серебра при диаметре волокна 0,05 мм (диаметр сборки в люситовом каркасе 50 мм), а в качестве фотоприемника применен электронно-оптический преобразователь с микроканальной пластиной. Детектор [5] пригоден для определения треков (следов) регистрируемых частиц большой энергии, однако он не пригоден для дистанционного обнаружения гамма-источников, находящихся в узких и длинных лабиринтных щелях и трубах. Неизвестно его применение для регистрации нейтронов. Он не пригоден для глубоководной регистрации нейтрино из-за малой чувствительности.

Известен сцинтилляционный детектор бета-, гамма- и нейтронного излучения [6] , содержащий в качестве датчика сцинтилляционный кристалл, например Lu₂SiO₅-Ce или стильбен, сместитель спектра в виде тонкой сцинтиллирующей пленки или кристалла и кремниевый PIN-фотодиод в качестве фотоприемника. Однако такой детектор не предназначен для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучения (кристалл Lu₂SiO₅-Ce не регистрирует нейтроны) и не пригоден для поиска и обнаружения ДМ и РВ в узких щелях лабиринтного типа цилиндрического или любого другого сечения. Детектор [6] не пригоден для глубоководной регистрации излучений из-за малой чувствительности.

Известны волоконно-оптические детекторы гамма- излучения на основе кварцевых волокон [7] и на основе волокон KU или KS-4V [8]. Однако они представляют собой детекторы интегрального абсорбционного типа. Измерение дозы облучения проводят, измеряя интенсивность наведенных излучением полос в спектрах поглощения волокон. Такие детекторы не пригодны для работы в режиме реального (on line) времени. Кроме того, они чувствительны только к высоким дозам гамма-излучения (от десятков Грей до МегаГрей). Они не чувствительны к слабым потокам ионизирующих излучений и не пригодны для обнаружения радиоактивных веществ в реальной рабочей обстановке. Они совершенно не пригодны для глубоководной регистрации излучений.

Известен кристаллический сцинтиллятор Лия-2 [9] для сцинтилляционного детектора, отличающийся пластичностью, малым временем высвечивания и высокой прозрачностью в видимом и инфракрасном диапазонах. Основу кристаллов сцинтиллятора Лия-2 составляют галогениды серебра (AgCl+AgBr). В патенте [9] описано применение кристаллического сцинтиллятора Лия-2 для регистрации α-частиц (Ри-239), ускоренных электронных пучков наносекундной длительности и рентгеновского излучения. Однако применение сцинтиллятора [9] для регистрации нейтронов неизвестно. Применение сцинтиллятора Лия-2 в виде волокон в патенте [9] не описано.

Известен сцинтилляционный датчик для детектора γ-излучения в виде волоконного световода из иодида натрия по патенту США [10]. Недостатком датчика из сцинтилляционного световода является его высокая гигроскопичность, низкая прочность и малая длина (несколько мм). Он не пригоден для обнаружения ДМ и РВ в каналах, лабиринтах, щелях. Он также не пригоден для глубоководных измерений нейтрино.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации нейтрино [11] по их реакции с водородом с образованием позитрона и нейтрона v+₁H¹-->₁e⁰+₀n¹. Детектор был приготовлен в виде сосуда с 300 л жидкого сцинтиллятора с добавлением пропионата кадмия. Сосуд имел цилиндрическую форму и был окружен 90 фотоумножителями. Позитроны регистрировались непосредственно жидким сцинтиллятором. Нейтроны замедлялись до тепловых энергий, поглощались ядрами кадмия и регистрировались по реакции (n, γ). Однако такой детектор содержит большое число фотоумножителей и очень дорог.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации надтепловых нейтронов [11] . В качестве датчика он содержит сцинтиллятор NaI-Tl, окруженный чехлом из серебра, ядра которого имеют большой резонансный пик для реакции (n, γ). Однако такой детектор не пригоден для поиска и обнаружения нейтронных источников, расположенных в узких каналах, щелях, лабиринтах, не пригоден для глубоководных измерений нейтрино.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор [12], который содержит датчик и блок электронной обработки сигналов. Датчик выполнен в виде трех различных объемных сцинтилляторов: (1) нейтронного сцинтиллятора, выполненного из чувствительного к быстрым нейтронам органического водородсодержащего вещества на основе пластмассы (СН)_n или стильбена, (2) сцинтилляционного кристалла NaI-Tl в стандартном контейнере, чувствительного к гамма-излучению, и (3) сцинтиллятора на основе ⁶Li-силикатного стекла, активированного церием, чувствительного к тепловым нейтронам, а также фотоэлектронного умножителя, помещенных в единый корпус.

Известное устройство обеспечивает регистрацию нейтронов и гамма-квантов в обычных лабораторных и полевых условиях. Однако известное устройство [12] из-за своих больших габаритов не пригодно для поиска и обнаружения ДМ и РВ в узких щелях, лабиринтах, изогнутых трубах, оно также не пригодно для глубоководной регистрации нейтрино.

Заявляемое устройство - сцинтилляционный детектор - содержит в корпусе 1 датчик из комбинированного сцинтиллятора 2 с фотоэлектронным умножителем 3 и блок электронной обработки сигналов 4. Комбинированный сцинтиллятор датчика 2 выполнен в виде сцинтилляционного волоконно-оптического кабеля, состоящего из чехла-оболочки 5 и витой пары (или набора нескольких витых пар) из длинных (от 30÷100 см до 10÷100 м и более) волоконно-оптических нитеподобных сцинтилляторов - световодов: один из них, неорганический сцинтиллятор, изготовлен из галогенидов серебра (AgCl-AgBr) с активирующими добавками, другой - органический сцинтиллятор изготовлен из пластика (СН)_n. Один конец каждой витой пары сцинтилляционного кабеля (выносной конец) снабжен отражателем света 6, другой конец витой пары сцинтилляционного кабеля (контактный конец) имеет оптический контакт 7 с фотоэлектронным умножителем 3. Фотоэлектронный умножитель 3 и контактные концы 7 сцинтилляционного кабеля 2 помещены в единый корпус 1 непрозрачный при наземных измерениях, при этом выносной конец каждого сцинтилляционного кабеля (из одной витой пары или набора нескольких витых пар) вынесен за пределы корпуса 1 и снабжен дополнительным гибким тросом и штангой-держателем. Комбинированный сцинтиллятор для глубоководных измерений состоит из нескольких (до 10-20 и более) сцинтилляционных кабелей с прозрачными чехлами и имеет вид радиально-лучистой или сетеобразной системы, образующей распределенную в водном пространстве (объеме) своеобразную "оптическую антенну" (см. чертеж).

Устройство работает следующим образом.

Гамма-излучение, попадая в оба сцинтиллятора датчика, вызывает появление в них световых вспышек, которые, вызывают в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) появление электрических импульсов, число которых подсчитывается затем счетчиком в блоке электронной обработки сигналов. Сцинтилляционные волоконно-оптические световоды, образующие витую пару сцинтилляционного кабеля, имеют различные максимумы свечения (λ_m) и длительности сцинтилляций (τ): для галогенидов серебра λ_m=400 нм, τ=20 нс, и для пластика λ_m=410-530 нм, τ=3-8 нс (длина волны и длительность сцинтилляций зависит от типа пластика). Поскольку сцинтиллятор из галогенидов серебра имеет в несколько раз более высокую плотность (6,4 г/см³) в сравнении с плотностью пластика и в 6-7 раз более высокий эффективный атомный номер, чем у пластика, поэтому гамма-кванты регистрируются в основном неорганическим сцинтиллятором на основе AgCl-AgBr.

Предлагаемое устройство регистрирует как быстрые, так и медленные нейтроны следующим образом. Быстрые нейтроны регистрируются пластиком, создавая в нем протоны отдачи, которые вызывают в пластиковом световоде сцинтилляции световые вспышки с последующей регистрацией с помощью ФЭУ. Нейтроны, проходя через пластик и чехол, теряют свою энергию, замедляются, переходят в разряд тепловых и эффективно взаимодействуют с ядрами серебра, вступая в реакцию (n, γ), поскольку серебро имеет большой резонансный пик для реакции (n, γ). Так, для ₄₇ ¹⁰⁹Ag, например, резонансные интегралы равны 1377,2 и 1450 барн [13] при сечении взаимодействия σ=86.3 барн. Эффективность регистрации тепловых нейтронов повышается при введении в качестве активирующей добавки европия (для естественной смеси изотопов европия σ=4600 барн) [13]. В результате (n, γ) реакции образуются γ-кванты, которые вызывают световые вспышки - сцинтилляции в световоде из галогенидов серебра и в световоде из пластика (но с гораздо меньшей вероятностью) гамма-сцинтилляции регистрируются ФЭУ и далее блоком электронной обработки сигналов.

Для предлагаемого сцинтилляционного детектора характерна повышенная чувствительность к нейтрино из-за больших возможных объемов контроля при глубоководных измерениях в экспериментах типа DUMAND и подобных им [4], использующих реакцию v+₁H¹-->(позитрон + нейтрон), поскольку предлагаемый детектор обеспечивает регистрацию и нейтрона, и позитрона с помощью датчика, выполненного в виде радиально-лучистой или сетеобразной системы из сцинтилляционного кабеля, своеобразной "оптической антенны" при одновременной классической регистрации продуктов реакции (позитрона) по его черенковскому излучению непосредственно фотокатодом ФЭУ с полусферическим окном [4]. В экспериментах с IBM детектором в США и в экспериментах DUMAND на Байкале используют до 5 тысяч таких фотоумножителей [4], а в экспериментах в Канаде до 10 тысяч [4]. Использование таких фотоумножителей в сочетании с системами оптических антенн повышает эффективность регистрации нейтрино.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного детектора является возможность точного определения местоположения источника РВ при придании выносному концу сцинтилляционного кабеля -щупа кольцевую форму (радиус порядка 10 см), поддерживаемую штангой-держателем. При накрывании источника РВ кольцом из сцинтилляционного кабеля скорость счета в блоке обработки сигналов будет максимальной. В этом случае работа устройства напоминает работу миноискателя, с тем отличием, что кольцо-детектор обнаруживает источник РВ.

ЛИТЕРАТУРА
1. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. Изд. МГУ, 1963.

2. Физический энциклопедический словарь, том пятый. Изд. Советская энциклопедия, М., 1966, с. 109.

3. Прибор для измерения нейтронов и гамма-лучей. Патент США 4483808, GolT,3/06. 1984.

4. Photomultiplier tubes. Principles and Applications. Philips Photonics. Philips Export B.V.1994.

5. Свидетельство Роспатента 1756 от 16.02.1996 на полезную модель "Волоконно-оптический трековый детектор".

6. Патент РФ 2142147 от 24.09.97, G 01 T 1/20.

7. Dianov E.M., Golant K.M. et al. Electronics letters. 1995, v.31. 17, p. 1490-1491; 1999, v.35. 2. р.170-171.

8. Tomashuk A. L., Dianov E.M. et al. RADECS'97, paper PK7, IEEE Transaction on Nuclear Science, 1998, v.45, 3, Part 3, pp.1576-1579.

9. Патент РФ на изобретение 2066464 от 10.09.1996, G 01 T 1/202.

10. Патент США (US) 4586785. Световод из иодида натрия.

11. В. Прайс. Регистрация ядерного излучения. ИКЛ. M., 1960. стр. 259 и стр. 371-372.

12. Патент РФ 2143711 от 27.12.1999, G 01 Т 1/20,3/00.

13. В. П. Машкович, А.В. Кудрявцева. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Энергоатомиздат, M., 1995, 494 с.

Использование: в комплексах и системах радиационного мониторинга для обнаружения делящихся материалов и радиоактивных веществ в недоступных для обычных детекторов каналах, щелях, лабиринтах, трубах; изобретение пригодно также для регистрации нейтрино при глубоководных измерениях. Сущность: сцинтиллятор датчика выполнен в виде сцинтилляционного волоконно-оптического кабеля, состоящего из чехла-оболочки и витой пары или набора нескольких витых пар из волоконно-оптических нитеподобных сцинтилляторов-световодов, один из которых, неорганический сцинтиллятор, изготовленный из галогенидов серебра (AgCl-AgBr) с активирующими добавками, чувствителен к гамма-излучению и замедленным нейтронам, второй, органический сцинтиллятор, выполнен из пластика (СН)_n, чувствителен к быстрым нейтронам. Выносной конец сцинтилляционного кабеля снабжен отражателем света, а другой конец оптически соединен с фотоэлектронным умножителем. Технический результат - возможность обнаружения радиационного излучения в труднодоступных местах, повышение эффективности регистрации нейтрино. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения, содержащий датчик из комбинированного сцинтиллятора, в состав которого входит сцинтиллятор из водородсодержащего вещества на основе пластмассы (СН)_n, сцинтиллятор на основе неорганического вещества, фотоэлектронный умножитель и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что комбинированный сцинтиллятор датчика выполнен в виде сцинтилляционного волоконно-оптического кабеля, состоящего из чехла-оболочки и витой пары или набора нескольких витых пар из длинных волоконно-оптических нитеподобных сцинтилляторов-световодов, при этом неорганический сцинтиллятор, изготовленный из галогенидов серебра (AgCl-AgBr) с активирующими добавками, чувствителен к гамма-излучению и замедленным нейтронам, а органический сцинтиллятор-пластик чувствителен к быстрым нейтронам, причем выносной конец сцинтилляционного кабеля каждой витой пары сцинтилляторов-световодов снабжен отражателем света, а другой контактный конец сцинтилляционного кабеля оптически соединен с фотоэлектронным умножителем. 2. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что фотоэлектронный умножитель и контактные концы сцинтиллятора помещены в единый корпус, непрозрачный при наземных измерениях нейтронов и гамма-излучения и прозрачный при глубоководных измерениях нейтрино. 3. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что датчик сцинтилляционного детектора для наземных измерений выполнен в виде гибкого длинного одиночного сцинтилляционного кабеля-щупа из одной или нескольких витых пар с непрозрачным чехлом-оболочкой и снабжен дополнительно гибким тросом и штангой-держателем. 4. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что датчик сцинтилляционного детектора для глубоководных измерений нейтрино состоит из набора сцинтилляционных кабелей с прозрачными чехлами и выполнен в виде радиально-лучистой или сетеобразной системы, образующей распределенную в водном пространстве (объеме) "оптическую антенну".