СВЕТОВОЛОКОННЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2005 года по МПК G01T5/08 

Изобретение относится к сцинтилляционным детекторам ядерного излучения со светопроводящими волоконными сцинтилляторами, предназначенными для визуализации траектории и пространственного распределения высокоэнергетических частиц, и может быть использовано для фундаментальных исследований и экспериментов в области физики высоких энергий на высокоэнергетических ускорительных установках, в дозиметрической практике в системах радиационного мониторинга, особо в интроскопах медицинского назначения (томография, рентгенография, сцинтиграфия), а также в рентгеновских системах неразрушающего радиационного контроля изделий автомобилестроения, кораблестроения, самолетостроения и ответственных элементов атомной и космической техники.

Известен световолоконный детектор, включающий в себя волоконно-оптический сцинтилляционный датчик (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. Изд. МГУ, 1963), чувствительный элемент которого содержит нити из пластикового сцинтиллятора диаметром 1 мм, заполняющие люситовый каркас размером 100×100×100 мм. Такой световолоконный детектор из-за низкого эффективного атомного номера (Z_эфф<6) имеет низкую чувствительность к рентгеновскому, гамма- и другим видам ядерного излучения. В связи с этим использование известного световолоконного детектора в медицинских и промышленных детекторных системах неразрушающего контроля представляется нецелесообразным.

Известны световолоконные детекторы рентгеновского и гамма-излучения на основе кварцевых волокон (Dianov E.M., Golant K.M. et all. Electronics letters. 1995. Vol.31, №17. P.1490-1491; Dianov E.M., Golant K.M. et all. Electronics letters. 1999. Vol.35, №2. P.170-171) и на основе волокон KU или KS-4V (Tomashuk A.L., Dianov E.M. et all. RADECS'97, paper PK7, IEEE Transaction on Nuclear Scince. 1998. Vol.45, №3, part 3. P.1576-1579). Однако они являются детекторами интегрального абсорбционного типа и пригодны только для измерения дозы рентгеновского и гамма-излучения по интенсивности наведенных излучением полос в спектрах поглощения волокон. Причем они чувствительны только к высоким дозам излучения из-за низкого эффективного атомного номера (от десятков грей до мегагрей) и совершенно не пригодны для работы в режиме реального (on line) времени. Они не пригодны для получения и обработки информации, а тем более для передачи результатов визуализации изображения в медицинских и промышленных томографах.

Известен световолоконный сцинтилляционный детектор гамма- и рентгеновского излучения на основе иодида натрия по патенту США № 4586785. Недостатком такого сцинтилляционного детектора является его высокая гигроскопичность, что повышает требования к герметизации устройства, усложняет его конструкцию и требует специальных приспособлений для обеспечения стойкости детектора к удару. Кроме того, известный световолоконный сцинтилляционный детектор имеет недостаточно высокий эффективный атомный номер (Z_эфф=50).

Известен кристаллический сцинтиллятор Лия-2 на основе галогенидов серебра (патент РФ 2066464). Однако он имеет недостаточно высокий эффективный атомный номер (Z_эфф=42,7-42,8) и соответственно невысокую чувствительность к рентгеновскому, гамма- и другим видам ядерного излучения.

Известен световолоконный детектор (свидетельство Роспатента №1756 от 16.02.1996 на полезную модель "Волоконно-оптический трековый детектор") из набора сцинтилляционных волокон на основе галогенидов серебра. Однако он имеет недостаточно высокий эффективный атомный номер (Z_эфф=42,7-42,8) и соответственно невысокую чувствительность к рентгеновскому, гамма- и другим видам ядерного излучения.

Известны световолоконные детекторы (калориметры), представляющие собой сцинтилляционные волокна, включенные в свинцовую матрицу с раздельным считыванием отдельных сцинтилляционных волокон (Acosta D. et all. Lateral Shower Profiles in a Lead Scintillating - Fiber Calorimeter. NIM, 1992. Vol. A 316. P.184). Однако используемые в световолоконном сцинтилляционном детекторе волокна изготовлены из органического материала, поэтому имеют низкий эффективный атомный номер и соответственно низкую эффективность регистрации рентгеновского, гамма- и других видов ядерного излучения. Их применение в промышленных томографах или интроскопах ограничено из-за низкой эффективности регистрации излучения и их низкой температуры плавления и, соответственно, низкой температурной устойчивости при эксплуатации.

Известен сцинтилляционный световод (патент РФ 2154290). Световод используют для обнаружения и измерения ионизирующего излучения (рентгеновского, гамма-, альфа- и электронного). Состав сцинтилляционного световода - твердые растворы на основе галогенидов серебра, мас.%: AgCl 17,980-27,000; AgBr 82,000-72,499; AgI 0,010-0,500, которые активированы добавками либо таллия, либо хрома, либо европия, либо церия в количестве 0,01-0,001 мас.%. Однако известный сцинтилляционный световод имеет недостаточно высокий эффективный атомный номер (Z_эфф=42,7-42,8) и соответственно невысокую чувствительность к рентгеновскому, гамма- и другим видам ядерного излучения.

Наиболее близким к заявляемому является световолоконный сцинтилляционный детектор (Salomon M. New Measurements of Scintillating Fibers Coupled to Multianode Photomultipliers, IEEE Trans. Nucl. Sci. 1992. Vol.39. P.671). Такой детектор содержит блок регистрации в виде сборки органических сцинтилляционных волокон (до нескольких тысяч волокон) и фотоприемное устройство. Известное устройство используется для регистрации треков быстрых заряженных частиц в калориметрах различного типа. Однако известный световолоконный сцинтилляционный детектор, содержащий блоки сцинтилляционных волокон из органических материалов, имеет низкий эффективный атомный номер и, соответственно, невысокую эффективность регистрации рентгеновского, гамма- и других видов ядерного излучения. Дополнительным недостатком известного сцинтилляционного детектора при его использовании в промышленных системах неразрушающего контроля является низкая термическая устойчивость органических блоков сцинтилляционных волокон.

Заявляемое устройство - световолоконный сцинтилляционный детектор - содержит блок регистрации рентгеновского и ядерных излучений 1 и фотоприемное устройство 2, помещенные в единый корпус. Между блоком регистрации 1 и фотоприемным устройством 2 имеется оптический контакт. Блок регистрации 1 представляет собой сборку из сцинтилляционных волоконных кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) одинаковой длины с диаметром от 0,05 мм и более. При попадании рентгеновского или ядерного излучений на входную часть (торцевую часть волокон) блока регистрации на последнем формируется визуальная картина треков частиц или пространственного распределения этого излучения с разрешением, соответствующим диаметру используемых волокон. Максимум свечения кристаллов BGO наблюдается в спектральной области 480-520 нм, длительность люминесценции - 300 нс. Люминесцентные вспышки волокон передаются по ним в фоторегистрирующее устройство, например, фотодиодную матрицу, CCD-камеру, микроканальную пластину, многоканальный фотоэлектронный умножитель и т.д. Пространственное разрешение фоторегистрирующего устройства должно быть сравнимо с пространственным разрешением блока регистрации.

Использование: для визуализации траектории и пространственного распределения высокоэнергетических частиц, и может быть использован для фундаментальных исследований и экспериментов в области физики высоких энергий на высокоэнергетических ускорительных установках, в дозиметрической практике в системах радиационного мониторинга, особо в интроскопах медицинского назначения (томография, рентгенография, сцинтиграфия), а также в рентгеновских системах неразрушающего радиационного контроля изделий автомобилестроения, кораблестроения, самолетостроения и ответственных элементов атомной и космической техники. Технический результат изобретения: повышение эффективности регистрации рентгеновского гамма- и других видов ядерного излучения, а также повышение термической устойчивости. Сущность: детектор содержит блок регистрации рентгеновского и ядерных излучений в виде сборки волокон и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом. Волокна, входящие в блок регистрации, представляют собой сцинтилляционные волоконные кристаллы Bi₄Ge₃О₁₂ (BGO) одинаковой длины с диаметром от 0,05 мм и более. При попадании рентгеновского или ядерного излучения на торцевую часть волокон блока регистрации на последних формируется визуальная картина треков частиц или пространственного распределения излучения с разрешением, соответствующим диаметру используемых волокон. Это изображение передается по волокнам BGO в фотоприемное устройство, где и осуществляется регистрация визуальной картины. 1 ил.

Световолоконный сцинтилляционный детектор, содержащий блок регистрации рентгеновского и ядерных излучений в виде сборки сцинтилляционных волокон и фотоприемное устройство, находящиеся друг с другом в оптическом контакте, отличающийся тем, что волокна, входящие в блок регистрации, выполнены из волоконных кристаллов Bi₄Ge₃О₁₂ (BGO) одинаковой длины с диаметром от 0,05 мм и более.