СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2007 года по МПК G01T1/20 G01T3/06 

Изобретение относится к детекторам ядерных гамма- и нейтронного излучений и может быть использовано для обнаружения источников нейтронов, радиоактивных веществ и делящихся материалов в системах радиационного мониторинга местностей и морских акваторий, в системах индивидуальной дозиметрии, в системах таможенного радиационного контроля, обнаружения и учета ядерных и радиоактивных материалов на границах страны, а также в любых зонах контроля, оговоренных международными соглашениями.

Известен сцинтилляционный детектор гамма-излучения [Л.С.Горн, Б.И.Хазанов. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1989, 232 с.], в котором в качестве фотоприемника используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), а в качестве сцинтиллятора используют кристалл CsI:Tl в форме цилиндра. Кристалл CsI:Tl имеет плотность 4,51 г/см³, световыход сцинтилляций до 0,45 относительного такового для NaI:Tl, максимум свечения при 565 нм, длительность сцинтиимпульса 450 нс. Однако недостатками такого сцинтилляционного детектора являются невысокий уровень светосбора сцинтилляций из-за цилиндрической формы кристалла, а также большие габариты и вес ФЭУ и высоковольтное питание для ФЭУ.

Известен сцинтилляционный детектор гамма-излучения [Патент США №3382368], включающий сцинтиллятор BaF₂ (плотность 4,88 г/см³) и фотоэлектронный умножитель. Детектор имеет малую длительность сцинтилляций (<50 нс). Однако сцинтилляционный кристалл BaF₂ из-за цилиндрической формы имеет невысокий уровень светосбора сцинтилляций. Кроме того, максимум спектра свечения BaF₂ лежит в ультрафиолетовой области спектра, λ=220 нм, т.е. кристалл BaF₂ непригоден при работе детектора в режиме фотодиодной регистрации из-за нечувствительности PIN-фотодиодов к ультрафиолетовому свету. Недостатком известного сцинтилляционного детектора на основе BaF₂ 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 цилиндрической формы 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 недостатками такого сцинтилляционного детектора являются невысокий уровень светосбора сцинтилляций из-за цилиндрической формы кристалла. Кроме того, сцинтилляционный детектор на основе ⁶LiI:Eu имеет очень большую длительность сцинтилляции τ=1,4 мкс, требует высоковольтного питания для ФЭУ и имеет большие габариты и вес фотоприемного устройства.

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

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, p.p.73-80], включающий сцинтиллятор ZnS(Ag):⁶Li и ФЭУ. Однако такой детектор имеет большую длительность сцинтилляций, τ=1-2 мкс, и не обеспечивает повышенной загрузки. Кроме того, он имеет большие габариты, связанные с большими размерами ФЭУ, большой вес и требует высоковольтного питания.

Известен сцинтилляционный детектор [Викторов Л.В., Шульгин Б.В. и др. / Неорганические сцинтилляционные материалы // Изв. АН СССР. Неорг.материалы, 1991, Т. 27, №10, С.2005-2029; С.Тинг. Установка ЛЗ, ЛЭП (ЦЕРН). Препринт. Л.: ЛИЯФ, 1987. 52 с; Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992. 2 с], включающий сцинтиллятор Bi₄Ge₃О₁₂ и фотодиод, используемый, в частности, в экспериментах в Европейском ядерном центре (ЦЕРН) на ускорителях коллайдерного типа. Детектор имеет световыход сцинтилляций на уровне 0,1 относительно такового для NaI-Tl и длительность свечения, τ=300 мкс. Недостатком такого сцинтилляционного детектора является невысокий уровень светосбора сцинтилляций из-за использования кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ цилиндрической формы или в форме удлиненных параллелепипедов (в ЦЕРНе).

Известен сцинтилляционный детектор фирмы SCIONIX Holland [Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992, 2 с.] с фотодиодной регистрацией, содержащий сцинтиллятор, фотодиод и блок обработки сигналов, пригодный для обнаружения рентгеновского (>60 кэВ) и гамма-излучения. Кристалл имеет форму цилиндра с размерами: диаметр - 40 мм, высота - 50 или 70 мм. В детекторе используют кристалл CsI:Tl 10×10×10 мм, максимум спектра люминесценции которого расположен при 565 нм, и кремниевый PIN-фотодиод. Известный сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией обладает длительностью сцинтиимпульса τ=450 мкс, имеет размеры чувствительной поверхности 1 см² и малый чувствительный объем до 5-7 см³, поскольку размер одной из граней кристалла, сочетанной с фотодиодом, диктуется размерами приемного окна PIN-фото диода (1 см²).

Из всех известных сцинтилляционных детекторов гамма- и нейтронного излучений наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент РФ №2248588, МПК 7 G01T 1/20, опубл. 20.03.2005. Бюл. №8], которое содержит сцинтиллятор (чувствительный либо к гамма-излучению, либо к нейтронам), находящийся с ним в оптическом контакте сместитель спектра вместе со светособирающим световодом, который находится в оптическом контакте с PIN-фотодиодом. Все эти элементы детектора помещены в единый корпус. Известное устройство работает в двух (регистрация гамма-излучения или нейтронов) функциональных режимах. 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 быстрые световые вспышки (сцинтилляции) с длительностью 20 нс. Их спектр свечения расположен в синей области с максимумом при 420 нм. Далее с помощью сместителя спектра коротковолновое свечение преобразуется в длинноволновое и направляется на PIN-фотодиод, который работает либо в счетном, либо в спектрометрическом режимах и дает информацию либо о мощности дозы, либо о спектре гамма-излучения. В случае режима регистрации нейтронов в качестве сцинтиллирующего кристалла используют кристалл стильбена, излучение которого через сместитель спектра и через светособирающий световод поступает на PIN-фотодиод. Недостатком известного сцинтилляционного детектора [Патент РФ №2248588] является невысокий уровень светосбора сцинтилляций из-за того, что конструкция детектора не позволяет обеспечивать проведение измерений в 4π-геометрии.

Задачей настоящего изобретения является повышение уровня (степени) светосбора сцинтилляций, обеспечивающее повышение чувствительности сцинтилляционного детектора.

Это достигается за счет того, что в сцинтилляционном детекторе, включающем размещенные в едином корпусе сцинтиллятор, регистрирующий либо гамма-, либо нейтронное излучение, PIN-фотодиод, кабельный канал и блок обработки сигналов, сцинтиллятор выполнен в виде шара, состоящего из 2-х полусфер, находящихся друг с другом в оптическом контакте, а сцинтилляционный детектор дополнительно содержит отражающее покрытие в виде пленки, нанесенной на поверхности полусфер, и 2-й PIN-фотодиод, установленный к 1-му PIN-фотодиоду «спина к спине» в центре шарового сцинтиллятора, в котором выполнены полость для размещения PIN-фотодиодов и кабельный канал для вывода их электрических контактов к блоку обработки сигналов.

Кроме того, PIN-фотодиоды могут быть выполнены в виде полусфер, при установке образуя форму шара.

Выполнение сцинтиллятора не в виде цилиндра или параллелепипеда, а в виде шара, состоящего из двух полусфер, и играющего одновременно роль световода и снабженного светоотражающей (световозвращающей) пленкой, собирающей в условиях 4π-геометрии все сцинтилляции в одном фокусе, в котором расположено фотоприемное устройство из двух PIN-фотодиодов, позволило повысить эффективность регистрации излучения предлагаемым сцинтилляционным детектором.

На фиг.1 представлена схема сцинтилляционного детектора с плоскими PIN-фотодиодами, на фиг.2 - схема сцинтилляционного детектора со сферическими PIN-фотодиодами.

Заявляемое устройство содержит сцинтиллятор в форме шара, состоящего из двух полусфер 1 и 2, отражающее покрытие 3 в виде пленки, нанесенной на поверхность полусфер 1 и 2, два плоских PIN-фотодиода 4 и 5 (фиг.1), либо два PIN-фотодиода, выполненных в виде полусфер (фиг.2), которые при сборке образуют форму шара, установленные в полость 6 в центре полусфер 1 и 2 и расположенные «спина к спине», канал 7 для связи PIN-фотодиодов, которые при помощи кабеля 8 соединены с блоком обработки сигналов 9, помещенные в единый корпус 10.

Сущность изобретения заключается в том, что вследствие шарообразной формы сцинтиллятора (CsI:Tl, или Bi₄Ge₃O₁₂, или Lu₂SiO₅:Ce - при регистрации гамма-излучения; стильбен - при регистрации нейтронов) все сцинтилляции, возникающие в полусферах 1 и 2 шара, будут благодаря отражающему покрытию 3 фокусироваться в центре шара в месте расположения PIN-фотодиодов 4 и 5. В этом случае объем сцинтилляционного кристалла не лимитируется размерами входного окна PIN-фотодиодов, расположенных в центре детектора «спина к спине». Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является новая шаровая конструкция сенсорного элемента детектора - сцинтиллятора. Такая конструкция обеспечивает 4π-геометрию светосбора сцинтилляций и 4π-геометрию измерения радиации и повышает чувствительность сцинтилляционного детектора.

Устройство работает в двух функциональных режимах (регистрация гамма-излучения или нейтронов) следующим образом. В случае регистрации гамма-излучения используют сцинтиллятор CsI:Tl, изготовленный в виде двух полусфер с небольшой полостью точно в центре полусфер и узким кабельным каналом для вывода и передачи сигналов с PIN-фотодиодов на блок обработки сигналов. Две полусферы, образующие шаровой сцинтиллятор, имеют между собой оптический контакт. Сцинтилляции, возникающие в кристалле CsI:Tl, имеют длину волны излучения 565 нм и надежно регистрируются PIN-фотодиодами фирмы Hamamatsu, которые работают либо в счетном, либо в спектрометрическом режимах. Это дает информацию либо о плотности потока гамма-излучения, либо о спектре гамма-излучения. Последнее необходимо для обнаружения и идентификации гамма-излучения. Предлагаемая шаровая конструкция является идеальной для проведения низкофоновых измерений. Она обеспечивает максимально возможную чувствительность вследствие реализуемой 4π-геометрии измерения. При низкофоновых измерениях большая длительность сцинтилляций кристалла CsI:Tl 450 нс не является недостатком, поскольку из-за низкой величины фона загрузка детектора невелика (меньше, чем 10³ имп/с), и наложения импульсов не происходит.

Кроме того, плотность CsI:Tl достаточно высока, 4,51 г/см³, и эффективный атомный номер Z_эф для CsI:Tl достаточно высок (Z_эф=54), что обеспечивает высокую эффективность регистрации гамма-излучения практически всех радиоактивных изотопов. Последнее является необходимым условием для обеспечения радиационного мониторинга территорий и зон хранения радиоактивных отходов.

Совершенно аналогичное устройство используется в случае применения сцинтиллятора на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃О₁₂ (BGO). Сцинтилляции, возникающие в кристалле BGO, имеют длину волны излучения 565 нм и надежно регистрируются PIN-фотодиодами фирмы Hamamatsu. Длительность сцинтилляций такого детектора 300 нс, что не влияет на качество низкофоновых измерений из-за низкой плотности в том числе потока γ-излучения.

Аналогичное устройство используется в случае применения сцинтиллятора на основе кристалла Lu₂SiO₅:Ce. Однако сцинтилляции, возникающие в кристалле Lu₂SiO₅:Ce, имеют максимум длины волны излучения в синей области спектра, и для надежной их регистрации с помощью PIN-фотодиодов между PIN-фотодиодами и шарообразным сцинтиллятором дополнительно устанавливают сместитель спектра, выполненный в виде тонкой пленки или покрытия. Сместитель спектра смещает максимум длины волны излучения сцинтиллятора из синей области спектра в красную, что позволяет надежно регистрировать прошедшие сместитель спектра сцинтилляции с помощью PIN-фотодиодов фирмы Hamamatsu.

В случае режима регистрации нейтронов используется аналогичное устройство, но в качестве сцинтилляционного кристалла используют кристалл стильбена, обладающий синим свечением с длинной волны λ=390 нм. В этом случае, как и для кристалла Lu₂SiO₅:Ce, обязательно используют сместитель спектра, позволяющий регистрировать излучение сцинтиллятора PIN-фотодиодами.

Предложенное изобретение относится к детекторам ядерных гамма- и нейтронного излучений и может быть использовано для обнаружения источников нейтронов, радиоактивных веществ и делящихся материалов в различных системах радиационного мониторинга. Задачей изобретения является повышение степени светосбора сцинтилляций, обеспечивающее повышение чувствительности сцинтилляционного детектора. Сцинтилляционный детектор включает в себя размещенные в едином корпусе сцинтиллятор, регистрирующий либо гамма-, либо нейтронное излучение, PIN-фотодиод, кабельный канал и блок обработки сигналов. Сцинтиллятор имеет шарообразную форму и состоит из двух полусфер, находящихся друг с другом в оптическом контакте. Кроме того, сцинтилляционный детектор содержит отражающее покрытие в виде пленки, нанесенной на поверхности полусфер, и второй PIN-фотодиод, установленный к первому PIN-фотодиоду «спина к спине» в центре шарового сцинтиллятора, в котором выполнены полости для размещения PIN-фотодиодов и кабельный канал. PIN-фотодиоды могут иметь полусферическую форму. Сцинтилляционный детектор дополнительно может содержать сместитель спектра, выполненный в виде тонкой пленки или покрытия, установленной между PIN-фотодиодами и шарообразным сцинтиллятором. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сцинтилляционный детектор, включающий размещенные в едином корпусе сцинтиллятор, регистрирующий либо гамма-, либо нейтронное излучение, PIN-фотодиод, кабельный канал и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтиллятор имеет шарообразную форму и состоит из двух полусфер, находящихся друг с другом в оптическом контакте, а сцинтилляционный детектор дополнительно содержит отражающее покрытие в виде пленки, нанесенной на поверхности полусфер, и второй PIN-фотодиод, установленный к первому PIN-фотодиоду «спина к спине» в центре шарового сцинтиллятора, в котором выполнены полости для размещения PIN-фотодиодов и кабельный канал.2. Сцинтилляционный детектор по п.1, отличающийся тем, что PIN-фотодиоды имеют полусферическую форму.3. Сцинтилляционный детектор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сместитель спектра, выполненный в виде тонкой пленки или покрытия, установленной между PIN-фотодиодами и шарообразным сцинтиллятором.