СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к подсчету количества гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 10⁹ имп./мин, и может быть использовано для точной регистрации интенсивных потоков гамма излучения.

Известен сцинтилляционный портативный счетчик [Каталог «Аппаратура радиационного контроля», НЛП «Доза», «Прогресс-Г(П)» на сайте компании http://www.doza.ru/docs/radiation_control/Progress_G_P.pdf], содержащий блок детектирования, который состоит из сцинтиллятора, соединенного с вакуумным фотоэлектронным умножителем и источником питания до 3кВ. В блоке детектирования используется детектор на основе сцинтиллятора NaI(Tl). Пульт управления состоит из аккумуляторного блока питания, линейного усилителя, амплитудно-цифрового преобразователя, микроконтроллера и запоминающего устройства. Блок детектирования связан с линейным усилителем и амплитудно-цифровым преобразователем. Диапазоны энергий регистрируемого фотонного излучения от 2·10² до 3·10³ кэВ. Диапазоны измерения активности гамма излучения от 8 до 10⁶ Бк. Габаритные размеры составных частей: длина блока детектирования 230 мм, и 180 мм пульта управления.

Основными недостатками этого счетчика являются: большие габариты; высоковольтный источник питания до нескольких 1000 В; сильная чувствительность к электромагнитным полям.

Известен полупроводниковый счетчик [«Спектрометр энергии гамма-излучения полупроводниковый ГАММА-1П» продукция компании «ЗАО НПЦ Аспект» http://aspect.dubna.ru/], основным элементом которого является полупроводниковый диод на основе германия. Полупроводниковый диод с усилителем в корпусе закреплен на штанге и в рабочем положении установлен в сосуд Дьюара. Блок управления мини крейт NIM состоит из высоковольтного блока питания, низковольтного блока питания, усилителя, соединенного с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен с устройством передачи информации в компьютер. Полупроводниковый диод соединен с высоковольтным и низковольтным источником питания, сигнальный выход диода подключен к усилителю мини крейта NIM.

Полупроводниковый счетчик обладает высокой надежностью, может работать в магнитных полях, но для работы требует наличие криогенного охлаждения, высоковольтный источник питания до 1000 В и в рабочем положении имеет большие размеры и массу до 600 кг.

Известен полупроводниковый детектор [«Спектрометр рентгеновского и гамма излучения X-123CdTe» каталог продукции компании «Amptek» http://www.amptek.com/].

В качестве детектора излучения использован кадмиево-теллуридный (CdTe) детектор.

Детектор смонтирован на термоэлектрическом охлаждающем модуле вместе с входным полевым транзистором и соединен с зарядочувствительным предусилителем. Блок управления миникрейт NIM состоит из низковольтного блока питания, усилителя, соединенного с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен с устройством передачи информации в компьютер. Кадмиево-теллуридный детектор соединен с низковольтным источником питания, сигнальный выход диода подключен к усилителю мини крейта NIM. Максимальная скорость счета 1·10⁵имп/c. Габариты устройства 7×10×2,5 см, вес до 180 г.

Малая толщина рабочей области (порядка сотни микрометров) не позволяет использовать этот полупроводниковый детектор для измерения высокоэнергетических частиц более 150кэВ.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации ионизирующего излучения (RU 2088952 C1, МПК6 G01T1/20, G01T3/06, опубл. 27.08.1997), выбранный в качестве прототипа, который содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. Датчик-сцинтиблок состоит из последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также гамма-излучениям, и световода, выполненного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)n, чувствительного к быстрым нейтронам и фотоэлектронного умножителя. Блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него как от сцинтиллятора Bi₄Ge₃O₁₂ (длительностью 300 нc), так и от сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода (с длительностью сцинтилляций 5-7 нc).

Однако данный детектор содержит вакуумный фотоэлектронный усилитель, требующий высоковольтный источник питания до нескольких тысяч вольт.

Этот сцинтилляционный детектор имеет значительные размеры (длина 250 мм, диаметр 40 мм) и чувствителен к электромагнитным полям.

Задачей изобретения является разработка миниатюрного устройства, способного подсчитывать гамма кванты высокой интенсивности.

Поставленная задача решена за счет того, что сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, также как в прототипе содержит сцинтиллятор на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) и фотоэлектронный умножитель.

Согласно изобретению сцинтиллятор через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем, который связан с источником питания, подключенным к усилителю дискриминатору, который соединен с делителем частоты и микроконтроллером, который подключен к персональному компьютеру. Делитель частоты подключен к микроконтроллеру.

Излучение гамма квантов с энергией от сотни кэВ до нескольких МэВ и интенсивностью до 10⁹ имп/мин регистрируется сцинтиллятором на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), время высвечивания световой вспышки которого при комнатной температуре составляет 300 нс.

В заявленном сцинтилляционном счетчике ионизирующего излучения использован кремниевый фотоэлектронный умножитель, характеризующийся высоким коэффициентом усиления k=10⁶ и квантовой эффективностью от 15 до 23%, имеет компактные размеры 6×6 мм², нечувствителен к воздействию магнитных полей, работает от низкого напряжения - 30 В, обладает механической прочностью и невосприимчивостью к внешней засветке.

Использование в конструкции счетчика делителя частоты обеспечивает скорость счета до 10⁹ имп/с с погрешностью не более 2%.

По сравнению с прототипом предложенное устройство обладает миниатюрными размерами: не более 5 см³.

На фиг. 1 представлена блок схема сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема источника питания.

Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения содержит сцинтиллятор 1 (С), к которому при помощи силиконового герметика 2 (СГ) приклеен кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ), который связан с источником питания 4 (ИП), к которому подключен усилитель дискриминатор 5 (УД). Усилитель дискриминатор 5 (УД) соединен с микроконтроллером 6 (МК) и делителем частоты 7 (ДЧ), который связан с микроконтроллером 6 (МК), который соединен с персональным компьютером 8 (ПК).

В предлагаемом устройстве использован сцинтиллятор 1 (С) на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) с радиационной длиной, равной 1,13 см, и размером 1 см³.

В качестве кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 можно использовать детектор, поставляемый компанией SENSL [Ирландия http://www.sensl.com/downloads/ds/DS-MicroFM.pdf], который позволяет получать сигнал с временем нарастания фронта импульса около 100 пс и временем восстановления менее 1 нс.

Источник питания 4 (ИП) содержит генератор 9 (Г), выход которого через ограничительный резистор 10 подключен к базе транзистора 11, к коллектору которого подключен дроссель 12 и анод диода 13. Катод диода 13 соединен с конденсатором 14, сопротивлением делителя 15 и ограничивающим ток сопротивлением 16. Сопротивление 16 подключено к кремниевому фотоэлектронному умножителю 3 (ФЭУ) и через емкость 17 к усилителю дискриминатору 5 (УД). К сопротивлению 15 подключено сопротивление 18 и инверсный вход компаратора 19. К не инверсному входу компаратора 19 подключен делитель 20. Компаратор 19 связан с генератором 9 (Г). Дроссель 12, компаратор 19, одно плечо делителя 20 соединены со стабилизированным источником питания +5 В. Эмиттер транзистора 11, конденсатор 14, сопротивление 18 и второе плечо делителя 20 заземлены.

В качестве усилителя дискриминатора 5 (УД) использована классическая схема транзисторного усилителя.

В качестве микроконтроллера 6 (МК) можно использовать контроллеры компании Atmel [http://www.atmel.com/ru/ru/products/microcontrollers/avr/default.aspx].

В качестве делителя частоты 7 (ДЧ) можно использовать декадный счетчик, собранный на микросхемах HEF4016BT1 компании PHILIPS [http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/philips/HEF4016BN.pdf].

В качестве генератора 9 (Г) может быть использована аналоговая интегральная микросхема NE555 компании Texas Instrument [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf].

Устройство работает следующим образом.

Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения размещают рядом с интенсивным источником гамма квантов или рентгеновского излучения. Сцинтиллятор 1 (С) преобразует гамма кванты в вспышки света длительностью менее 300 нс. Вспышки света через силиконовый герметик 2 (СГ) поступают на кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ), который преобразует их в импульсы напряжения. Кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ) получает питание от источника питания 4 (ИП). Прямоугольные импульсы от генератора 9 (Г) через ограничивающий резистор 10 подаются на базу транзистора 11, нагрузкой которого является дроссель 12. При резком запирании этого транзистора в дросселе 12 наводится большая ЭДС самоиндукции. Полученные таким образом высоковольтные импульсы поступают на выпрямитель, построенный на диоде 13 и конденсаторе 14. Выходное напряжение регулируют при помощи компаратора 19. Через сопротивление делителя напряжения 15 и сопротивление 18 выходное напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора 19 и сравнивается с опорным, поступающим на не инверсный вход. Меняя делителем 20 опорное напряжение, можно регулировать выход компаратора 19, связанный со сбросовым входом генератора 9 (Г). При превышении выходного выпрямленного напряжения порогового значения, установленного делителем 20, происходит подача низкого уровня на вход генератора 9 (Г) и генерация прекращается. Выпрямленное напряжение снижается, компаратор 19 переходит в состояние логической единицы и разрешает генерацию. Импульсы от кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 (ФЭУ) длительностью 10-20 нс через емкость 17 поступают на усилитель дискриминатор 5 (УД). Импульсы большой амплитуды соответствуют детектируемым фотонам (квантам) света. Малые импульсы, которые возникают из-за шумов в самом кристалле кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 (ФЭУ), отсекаются усилителем дискриминатором 5 (УД). С выхода усилителя дискриминатора 5 (УД) снимаются TTL импульсы длительностью 20-30 нс и подсчитываются в микроконтроллере 6 (МК). При превышении порога 500 тыс.имп/с, TTL импульсы проходят через делитель частоты 7 (ДЧ), делятся на 100 и поступают на микроконтроллер 6 (МК). Подсчитанное количество импульсов передается на персональный компьютер 8 (ПК).

Предложенное устройство обладает миниатюрными размерами (не более 5 см³) и способно подсчитывать гамма кванты с энергией от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 10⁹ имп/мин.

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к подсчету количества гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 10⁹ имп./мин и может быть использовано для точной регистрации интенсивных потоков гамма излучения. Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения содержит сцинтиллятор на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), который через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем, который связан с источником питания, подключенным к усилителю дискриминатору, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты, который подключен к микроконтроллеру, который подключен к персональному компьютеру. Технический результат - создание миниатюрного устройства, способное подсчитывать гамма кванты высокой интенсивности. 2 ил.

Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, содержащий сцинтиллятор на основе ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) и фотоэлектронный умножитель, отличающийся тем, что сцинтиллятор через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем, который связан с источником питания, подключенным к усилителю дискриминатору, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты, который подключен к микроконтроллеру, который связан с персональным компьютером.