СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРОННОГО И β-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений, чувствительных к электронному и β-излучению, предназначенных для определения энергии электронного и β-излучения и применяемых в дозиметрической и таможенной практике для идентификации источников, электронного и β-излучения, а также при работе с радиоизотопами в медицинской диагностике и терапии.

Известен сцинтилляционный детектор ядерных излучений (Патент US №3688118, кл. G 01 T 1/00, 1972.), который содержит два сцинтилляционных датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам, к электронному и β-излучению и нейтронам, а второй сцинтилляционный датчик чувствителен только к заряженным частицам, к электронному и β-излучению. Однако ни один из этих сцинтилляционных датчиков электронного и β-излучения не пригоден для идентификации их энергии, поскольку каждый из них работает только в счетном режиме.

Известны сцинтилляционные датчики электронного и β-излучения на основе органических материалов (Шрам Э., Ломбер Р. Органические сцинтилляторы. М.: Атомиздат, 1967. 184 с.). Органические сцинтилляторы, уступая неорганическим по термической устойчивости, обладают рядом преимуществ: они обладают малой длительностью сцинтилляций и являются быстрыми сцинтилляторами нано- и пикосекундного диапазона. Они, в отличие от неорганических сцинтилляторов, пригодны для регистрации супермягкого электронного и β-излучения. Однако органические сцинтилляционные датчики работают в счетном режиме и не обеспечивают спектрометрии электронного и β-излучения. Использование органических сцинтилляторов в сцинтилляционных спектрометрах ограничено из-за их крайне низкого энергетического разрешения (несколько десятков процентов) и из-за необходимости применения сложных спектрометрических электронных трактов.

Известен сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂ и световода из органического водородсодержащего вещества - сцинтиллятора на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также электронному и β-излучению (Патент RU №2088952, кл. G 01 N 1/20, 1997). Однако известный сцинтилляционный датчик по патенту RU №2088952 применяется только в счетном режиме. Возможность его применения для определения энергии электронного и β-излучения ограничена из-за низкого энергетического разрешения используемых в нем материалов: энергетическое разрешение кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ обычно составляет 15-20%, а органического компонента сцинтилляционного датчика - десятки процентов. Кроме того, известный сцинтилляционный датчик для определения энергии требует применения сложного спектрометрического электронного тракта.

Известен сцинтилляционный датчик, в частности сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения (Патент US №5514870, кл. G 01 T 001/202; G 01 T 001/203, 1996). Сцинтилляционный датчик содержит чистый кристалл CsI и быстрый пластический сцинтиллятор NE 102 A. В качестве фотоприемника используют фотоумножитель. При регистрации падающей радиации световые сцинтилляции от обоих сцинтилляторов: пластика и кристалла CsI, поступают на фотоумножитель, сигналы от которого обрабатываются электронным трактом. Однако тракт обработки сигналов известного датчика оказывается сложным. Он включает в себя анализатор импульсов, временной селектор с короткими и длинными временными воротами. Детектор при анализе вида падающей радиации обеспечивает высокое временное разрешение (3 нc), задаваемое пластиком. Однако при определении энергии падающего электронного или β-излучения временное разрешение датчика оказывается недостаточно высоким, для чистого кристалла CsI оно составляет 30 нc.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения, описанный в работе (В.Прайс. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1960. 464 с.). Датчик содержит сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов. В качестве сцинтиллятора в известном устройстве применяют кристаллы антрацена, обладающие малым временем высвечивания (до 4 нc) и не требующие в отличие от кристаллов NaI-T1 герметичной упаковки. В качестве фотоприемника применяют фотоэлектронный умножитель. Сцинтиллятор выбирается такого размера, чтобы его площадь равнялась площади катода торцевого фотоумножителя, а толщина - пробегу β-частиц с максимальной энергией. Тракт обработки сигналов известного сцинтилляционного β-спектрометрического датчика содержит блок анализатора, который регистрирует только импульсы, соответствующие пику полной энергии, и анализирует формируемый амплитудный спектр, а также содержит сложную схему, которая корректирует получаемый амплитудный спектр из-за нелинейной зависимости световыхода антрацена от энергии электронного и β-излучения при энергиях ниже 100 кэВ.

Недостатком известного устройства является постоянная толщина выбранного сцинтиллятора, равная, по крайней мере, пробегу β-частиц с максимальной энергией, что делает его малопригодным, если требуются измерения β-источников других типов с более жестким спектром, т.е. с большей максимальной энергией. Недостатком является также наличие сложной схемы анализатора и коррекции сигналов.

Предлагаемый сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения (чертеж) состоит из сцинтиллятора в виде одномерного сцинтилляционного экрана 1, содержащего дополнительно клинообразный преобразователь излучения вогнутой формы 2, фотоприемника, в виде одномерной фоточувствительной линейки 3 и тракта обработки сигналов 4. Датчик работает следующим образом. Попадая в дополнительный преобразователь излучения, электронное излучение проходит через клинообразный преобразователь излучения вдоль оси Z на величину, не превышающую максимальный экстраполированный пробег электронов (β-частиц) для данной энергии. Это означает, что только часть излучения достигнет сцинтиллятора 1, т.е. по оси Х будет загружена только часть ячеек фотоприемной линейки от начала (нулевой толщины) клина до некоторого предела, соответствующего определенной толщине клина, по которому и можно определить максимальную энергию падающего излучения. Чтобы координата крайней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана была пропорциональна энергии регистрируемых электронов, поверхность клина должна иметь форму (Z=f(X)), соответствующую зависимости пробега электронов от их энергии. Фоторегистрирующее устройство и тракт обработки сигналов определяют крайнюю светящуюся ячейку сцинтилляционного экрана путем сравнения сигнала от каждой ячейки фоторегистрирующей линейки с сигналом, соответствующим пороговому значению, адекватному фону. Световой фон может быть связан с естественным гамма-фоном и случайными слабыми сцинтилляциями. Устройство определяет координату Х последней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана. Это, поскольку Х~R_экс, равносильно определению экстраполированного пробега R_экс электронов (β-частиц) в веществе клина, имеющем небольшой эффективный атомный номер Z_эфф (алюминий, легкая керамика, фторид лития или натрия и др.) для уменьшения альбедо электронного и β-излучения. Далее по величине R_экс, [г/см²], определяется энергия электрона Е₀, [МэВ], по формуле

где

где А - атомная масса, Z - эффективный атомный номер вещества. (В.П.Машкович, А.В.Кудрявцева. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1995. 494 с.)

Сцинтилляционный экран изготавливают из материала с малым временем высвечивания τ (например, (Li, Na)F кристаллы с τ<5 нс), что позволяет датчику работать в режиме реального времени при больших радиационных загрузках.

Преимуществом предлагаемого сцинтилляционного датчика электронного и β-излучения является его работа в режиме реального времени и простота тракта обработки сигналов в сравнении с аналогами, в которых используются сложные схемы с высокими требованиям к линейности преобразования сигналов.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного датчика электронного и β-излучения является возможность регистрации не только электронного и β-, но и позитронного излучения.

Использование: в дозиметрической и таможенной практике для идентификации источников, электронного и β-излучения. Сущность изобретения: в устройстве сцинтиллятор, выполненный в виде одномерного сцинтилляционного экрана, дополнительно содержит клинообразный преобразователь излучения, сделанный из вещества с низким эффективным атомным номером и имеющий вогнутую форму. Свечение сцинтиллятора воспринимается фотоприемником, выполненным в виде одномерной фоточувствительной линейки, а тракт обработки сигналов включает схему для определения местоположения крайней светящейся ячейки одномерного сцинтилляционного экрана. Технический результат: возможность работы в режиме реального времени, простота обработки сигналов, возможность регистрации позитронного излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения, включающий сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде одномерного сцинтилляционного экрана и дополнительно содержит клинообразный преобразователь излучения, фотоприемник выполнен в виде одномерной фоточувствительной линейки, а тракт обработки сигналов включает схему для определения местоположения крайней светящейся ячейки одномерного сцинтилляционного экрана.2. Сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения по п.1, отличающийся тем, что клинообразный преобразователь изготовлен из вещества с небольшим эффектным атомным номером.3. Сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что клинообразный преобразователь имеет вогнутую форму, обеспечивающую линейную зависимость преобразования энергии регистрируемого излучения в величину пробега.