СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2005 года по МПК G01T1/20 

Заявляемое устройство относится к детекторам бета-, гамма- и нейтронных излучений и может быть использовано для обнаружения источников нейтронов и радиоактивных веществ в системах индивидуальной дозиметрии и дозиметрии окружающей среды, в системах радиационного мониторинга местностей, морских акваторий, в системах таможенного радиационного контроля ядерных материалов, в системах обнаружения, учета и контроля ядерных материалов на границах страны и в других международных пунктах въезда, а также в любых зонах контроля, оговоренных международными соглашениями.

Известен сцинтилляционный детектор бета- и гамма-излучения [Л.С.Горн, Б.И.Хазанов. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. Энергоатомиздат, М., 1989, 232 с.], в котором в качестве фотоприемного устройства используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), а в качестве сцинтиллятора используют кристалл CsI-Tl. Последний имеет плотность 4,51 г/см³, световыход сцинтилляций до 0,45 относительного такового для NaI-Tl, максимум свечения 565 нм, длительность сцинтиимпульса 450 нс. Однако недостатками такого сцинтилляционного детектора являются большие габариты и вес фотоприемного устройства, требуемое для него высоковольтное питание, а также относительно невысокий световыход и большая длительность сцинтилляций.

Известен сцинтилляционный детектор бета- и гамма-излучения [Патент США №3382368], включающий сцинтилляционный кристалл ВаF₂ (плотность 4,88 г/см³) и фотоэлектронный умножитель. Детектор имеет малую длительность сцинтилляций (<50 нc). Однако максимум спектра свечения ВаF₂ лежит в ультрафиолетовой области спектра, λ=220 нм, т.е. кристалл BaF₂ в режиме обычной фотодиодной регистрации совершенно неэффективен из-за весьма низкой чувствительности PIN-фотодиодов в области длин волн менее 500 нм. Недостатком известного сцинтилляционного детектора на основе ВаF₂ является также то, что используемый в нем в качестве фотоприемника ФЭУ имеет большие размеры и вес и требует высоковольтного питания, что увеличивает габариты, вес и стоимость детектора в целом.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов [Патент США №3382368], 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 люминесценции 460 нм. Однако такой сцинтилляционный детектор не эффективен в устройствах с фотодиодной регистрацией и, кроме того, он имеет очень большую длительность сцинтилляции τ=1,4 мкс, требует высоковольтного питания для ФЭУ, имеет большие габариты и вес фотоприемного устройства.

Известен сцинтилляционный детектор быстрых нейтронов [Патент США №3398278], включающий замедлитель из полиэтилена, сцинтиллятор ZnS-Ag и ФЭУ. Сцинтиллятор имеет световыход, в 2 раза [В.И.Иванов. Курс дозиметрии. Атомиздат, М., 1970, 392 с.] превышающий световыход NaI-Tl, максимум спектра излучения сцинтиллятора расположен при 450 нм. Однако такой детектор имеет большую длительность сцинтилляций ~1-2 мкс, то есть не обеспечивает высокой загрузочной способности, имеет большие габариты и вес фотоприемного устройства.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов [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], включающий сцинтиллятор ZnS(Ag)-⁶Li и ФЭУ. Однако такой детектор имеет большую длительность сцинтилляций, τ=1-2 мкс, то есть не обеспечивает высокой загрузочной способности. Кроме того, он имеет большие габариты и соответственно большой вес фотоприемника и требует высоковольтного питания.

Известен сцинтилляционный детектор [Викторов Л.В., Шульгин Б.В. / Неорганические сцинтилляционные материалы / Изв. АН СССР. Неорг. материалы, 1991, т.27, №10, с.2005-2029; С.Тинг. Установка ЛЗ, ЛЭП (ЦЕРН). Препринт, Ленинград, ЛИЯФ, 1987, 52 с.], включающий сцинтилляционный кристалл Вi₄Gе₃O₁₂ и фотодиод, используемый в экспериментах в Европейском ядерном центре (ЦЕРН) на ускорителях коллайдерного типа (ускорители на встречных пучках). Сцинтилляционный детектор имеет максимум свечения в зеленой области спектра 540 нм, что не обеспечивает высокого коэффициента согласования с фотоприемником в области максимальной чувствительности PIN-фотодиода (инфракрасная область 800-1000 нм). Известный детектор имеет низкий световыход на уровне 0,1 относительно такового для NaI-Tl и большую длительность свечения, τ=300 мкс, что не позволяет обеспечить высокую загрузочную способность детектора.

Известны сцинтилляторы на основе легированных или чистых кристаллов LiF и NaF с центрами окраски LiF-Sc, LiF-Sr, LiF-U,Cu, NaF-U,Cu [Райков Д.В., Иванов В.Ю., Шульгин Б.В. и др. / Сцинтилляторы на основе кристаллов LiF и NaF с центрами окраски // Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Межвуз. сб. научн. трудов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. Вып.10. С.4-10] с основной полосой свечения в области 600-750 нм (максимум 670 нм) и длительностью сцинтилляций порядка наносекунд. Красная полоса свечения 660-750 нм сцинтилляторов является основной, ее интенсивность в 3-8 раз превышает интенсивность дополнительных сине-зеленых полос свечения в области 440-520 нм. Природа этих полос связана в основном с центрами окраски F₂-типа (670 нм) и F+3

Известен сцинтилляционный детектор фирмы SCIONIX Holland [Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992, 2 с.] с фотодиодной регистрацией, 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 10×10×10 мм, максимум спектра люминесценции которого расположен при 565 нм, и кремниевый PIN-фотодиод. Однако известный сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией [Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992, 2 с.] обладает большой длительностью сцинтиимпульса, τ=450 мкс, т.е. невысокой загрузочной способностью, и главное, имеет малые размеры чувствительной поверхности сцинтиллятора, всего 1 см², и малый чувствительный объем сцинтиллятора, равный 1 см³, поскольку имеет размеры 10×10×10 мм, диктуемые размерами приемного окна PIN-фотодиода, что не обеспечивает высокой чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучению. Кроме того, детектор с кристаллом CsI-Tl не пригоден для регистрации нейтронов и не обеспечивает осевой направленности измерений: из-за отсутствия коллиматора он регистрирует гамма-кванты, поступающие не только через торцевую рабочую поверхность сцинтилляционного кристалла, но и через боковую и тыльную поверхности кристалла CsI-Tl.

Из всех известных сцинтилляционных детекторов нейтронного и гамма-излучения наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент РФ №2142147, 1999] со сцинтилляционным кристаллом, кремниевым PIN-фотодиодом и с расположенным между сцинтилляционным кристаллом и PIN-фотодиодом сместителем спектра в виде сцинтиллирующей пленки (или тонкого сцинтиллирующего кристалла). В известном детекторе [Патент РФ №2142147, 1999] при регистрации гамма-излучения для повышения эффективности регистрации излучения и загрузочной способности 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) превышает амплитуду сцинтилляций кристалла CsI-Tl. В качестве сцинтиллятора при регистрации нейтронов в детекторе [Патент РФ №2142147, 1999] используют кристалл стильбена с λ~390 нм и длительностью сцинтилляций ~2 нc. Для того чтобы сцинтилляции кристалла Lu₂SiO₅-Ce или кристалла стильбена с λ=420 и 390 нм соответственно могли быть зарегистрированы кремниевым PIN-фотодиодом, чувствительным к световым импульсам с длиной волны в области 500-1100 нм (максимум в области 800-1000 нм [Hamamatsu Technical Data Sheet (10×10 mm² sensitive area PIN silicon photocells S1723, S1790 Series.; Photodiode, Si, pin. "RECOM" LTD. Company Moscow. Реклама фирмы "Реком", Москва, 1994]), они должны быть преобразованы в более длинноволновые сцинтилляции. Такое преобразование выполняет сместитель спектра, не затягивающий при этом длительности сцинтилляционного импульса. Сместителем спектра в детекторе [Патент РФ №2142147, 1999] является сцинтиллирующий органический борсодержащий состав (C₅H₅N)₂B₁₀H₁₂ [Авт. свидетельство СССР №1550925, 1989.; Авт. свидетельство СССР №1351078, 1987] с максимумом спектра свечения в области 520-560 нм и длительностью сцинтиимпульсов 0,62 нc.

Недостатком известного детектора [Патент РФ №2142147, 1999] является то, что сместитель спектра (состав (C₅H₅N)₂B₁₀H₁₂) преобразует синее (λ~420 или 390 нм (для стильбена)) излучение сцинтиллятора в зелено-желтое (λ~520-560 нм), а не в красное-инфракрасное, которое необходимо для обеспечения высокого коэффициента согласования со спектральной чувствительностью PIN-фотодиода, имеющей максимум в области чувствительности 800-1000 нм. По этой причине известный детектор [Патент РФ №2142147, 1999] обладает недостаточно высокой чувствительностью. Недостатком является также то, что размеры чувствительной поверхности сцинтилляционных кристаллов Lu₂SiO₅-Ce или стильбена в устройстве [Патент РФ №2142147, 1999] ограничены размерами PIN-фотодиода 10×10 мм, что не обеспечивает необходимой чувствительности детектора к гамма-излучению и нейтронам при решении задач обнаружения слабых потоков нейтронного и гамма-излучения или при решении задач обнаружения фоновых аномалий или просто при измерениях уровня фона или изменений (временных) уровня фона.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения чувствительности сцинтилляционного детектора с фотодиодной регистрацией к гамма-излучению и нейтронам.

Заявляемое устройство, предлагаемое для решения задачи повышения уровня чувствительности сцинтилляционных детекторов с PIN-фотодиодной регистрацией к гамма- и нейтронному излучению, содержащее сцинтилляционный кристалл, сместитель спектра, светособирающий световод и фотоприемное устройство в виде PIN-фотодиода, размещенные в корпусе-коллиматоре, обеспечивает повышение чувствительности к гамма-излучению или нейтронам в несколько раз. Блок-схема заявляемого устройства приведена на чертеже. Устройство содержит сцинтилляционный кристалл 7, находящийся с ним в оптическом контакте сместитель спектра 2 вместе со светособирающим световодом 3, который находится в оптическом контакте с PIN-фотодиодом 4. Все эти элементы детектора помещены в единый корпус 5, играющий роль коллиматора, с крышкой 6.

Сущность изобретения заключается в том, что, благодаря применению светособирающего световода, как в случае регистрации гамма-излучения, так и в случае регистрации нейтронов, размеры сцинтилляционного кристалла 1, в частности, площадь воспринимающей излучение рабочей грани сцинтилляционного кристалла не лимитируется (не ограничена) размерами входного окна PIN-фотодиода. Площадь рабочей грани может быть на порядок больше, что увеличивает чувствительность датчика в несколько раз. Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является также наличие совершенно новой конструкции для важнейшего элемента устройства: сместитель спектра и световод выполнены в виде цельного неразделяющегося блока, в виде единой гетероструктуры на базе одного и того же кристалла (например, легированного или чистого кристалла LiF или NaF). Последнее полностью исключает потери света на границе сместитель спектра - светособирающий световод. Роль сместителя спектра играет тонкий слой (20-70 мкм) кристаллов LiF или NaF (легированных или чистых), насыщенный F₂-центрами, получаемый путем радиационно-лучевой обработки поверхности кристаллов импульсными пучками электронов с энергией до 180 кэВ. Чувствительность детектора повышена также за счет применения коллиматора 5, обеспечивающего осевую направленность измерения, и повышения отношения сигнал/шум за счет отсечки шумового излучения, поступающего в сцинтилляционный кристалл сбоку и с тыла.

Устройство работает в двух возможных функциональных режимах (регистрация гамма-излучения или нейтронов) следующим образом. В случае регистрации гамма-излучения в качестве сцинтилляционного кристалла используют кристалл Lu₂SiO₅-Ce диаметром до 4 см и более (т.е. с площадью рабочей грани ~12,6 см² и более). В кристалле возникают яркие быстрые световые вспышки (сцинтилляции) с длительностью 20 нc. Их спектр свечения расположен в синей области с максимумом при 420 нм. Далее сместитель спектра в виде тонкого сцинтиллирующего слоя F₂-центров окраски (получаемого методом радиационно-лучевой обработки поверхности) и световод, изготовленные в виде единого блока на одной и той же базе легированных или чистых кристаллов LiF и NaF преобразуют коротковолновое синее λ₁-излучение в длинноволновое красное λ₂-излучение (где λ₁=420 нм, а λ₂=670 нм) и направляют красное излучение на чувствительный к этому излучению PIN-фотодиод, который работает либо в счетном, либо в спектрометрическом режимах и дает информацию либо о мощности дозы либо о спектре гамма-излучения. Коэффициент согласования спектральной чувствительности PIN-фотодиода при регистрации излучения с λ=670 нм в 2-3 раза превышает таковой для прототипа [10] и аналога [9], в которых фотодиодом регистрировалось излучение с λ=520-565 нм.

В случае режима регистрации нейтронов в качестве сцинтиллирующего кристалла используют кристалл стильбена, обладающий синим свечением. Сместитель спектра преобразует синее свечение стильбена (λ₁=390 нм) в красное свечение приповерхностных слоев F₂-центров окраски (λ₂=670 нм) легированных или чистых кристаллов (Li, Na)F, которое через светособирающий световод фиксируется PIN-фотодиодом.

Повышенное отношение сигнал/шум и соответственно повышенная чувствительность детектора обеспечивается дополнительно с помощью корпуса детектора, играющего одновременно роль коллиматора как в случае регистрации нейтронного, так и в случае регистрации гамма-излучения. Корпус коллиматора состоит из слоев водородсодержащих материалов для коллимации нейтронов и материалов с высоким эффективным атомным номером (свинец, сталь) для обеспечения коллимации гамма-квантов.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного детектора с фотодиодной регистрацией является повышенная радиационная стойкость сместителя спектра: облучение легированных и нелегированных кристаллов (Li, Na)F гамма-излучением до доз 10⁴-10⁵ Зв и выше повышает концентрацию F₂-центров свечения и соответственно повышает эффективность сместителя спектра на основе кристаллов LiF, NaF, LiF-Sc, LiF-Sr, LiF-U, Cu,NaF-U,Cu.

Использование: в системах радиационного мониторинга местностей, таможенного контроля ядерных материалов и др. Сущность: детектор, включающий помимо сцинтиллятора, сместитель спектра и PIN-фотодиод, дополнительно содержит светособирающий световод и корпус-коллиматор, причем сместитель спектра и светособирающий световод выполнены в виде единого блока на основе легированных или чистых кристаллов фторидов лития или натрия. Технический результат - повышение чувствительности. 1 ил., 2 з.п. ф-лы.

1. Сцинтилляционный детектор, включающий сцинтиллятор, сместитель спектра и PIN-фотодиод, отличающийся тем, что дополнительно содержит светособирающий световод и корпус-коллиматор, причем сместитель спектра и светособирающий световод выполнены в виде единого блока на основе легированных или чистых кристаллов фторидов лития или натрия.2. Сцинтилляционный детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сместителя спектра используют приповерхностные слои легированных или чистых кристаллов фторидов лития или натрия, насыщенные F₂-центрами свечения с помощью радиационно-лучевой обработки поверхности кристаллов, а оставшуюся часть легированных кристаллов фторидов лития или натрия используют в качестве светособирающего световода.3. Сцинтилляционный детектор по п.1, отличающийся тем, что его корпус-коллиматор обеспечивает коллимацию как нейтронного, так и гамма-излучения.