ПОИСКОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР Российский патент 2021 года по МПК G01T1/208 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерению рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне 50…3000 кэВ, а именно, к детекторам на основе сцинтилляционных кристаллов, и может быть использовано для радиационного контроля окружающей среды, для поиска и обнаружения источников ионизирующего излучения в условиях воздействия широкого диапазона температур.

Уровень техники

Задачи радиационного контроля окружающей среды, поиска и обнаружения источников ионизирующего излучения в часто требуют применения носимых средств контроля, способных проводить измерения с высокой точностью в условиях экстремально низких и/или высоких температур.

Известно множество устройств для поиска и обнаружения источников ионизирующего излучения, в частности, детектор гамма-излучения БДКГ-03 производства ООО «Радек» [URL: https://www.radek.ru/product/Intellektualnye-bloki-detektirovaniya/32/], детектор БДКГ-201М производства НПУП «АТОМТЕХ» [НПУП «АТОМТЕХ» Приборы и технологии для ядерных измерений и радиационного контроля, каталог продукции, URL: https://atomtex.com/sites/default/files/catalogue_ru.pdf], детектор M44-2 производства «Ludlum Measurements» [Ludlum model 44-2 gamma scintillator, Feb 2018, URL:https://ludlums.com/images/product_manuals/M44-2.pdf] и многие другие. У подобных устройств есть существенный недостаток: в качестве фотоприемника сцинтилляционных импульсов в них используется вакуумный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), требующий питания высоковольтным напряжением (порядка 1000 В). Кроме того, данные устройства имеют увеличенные массо-габаритные параметры блоков детектирования из-за относительно больших размеров ФЭУ (как правило, Ø30×100 мм), что может критически сказываться на их применении в качестве носимых средств контроля.

Известны детекторы гамма-излучения, в которых устраняются указанные выше недостатки путем использования в них в качестве фотоприемников компактных кремниевых фотоэлектронных умножителей (Si-ФЭУ), требующих для своей работы напряжение питания около 30В.

Однако кремниевый фотоэлектронный умножитель характеризуется зависимостью коэффициента усиления от температуры окружающей среды и резким ростом его шумовой характеристики в области температур выше +40°C [Piatek S. Effects of temperature on the gain of a SiPM, URL: https://www.hamamatsu.com/ ], [ SensL Introduction to SiPM Technical Note, rev. 2011, URL: http://sensl.com/], что ограничивает возможность его применения в составе поисковых детекторов источников ионизирующего излучения.

Кроме того, известны детекторы гамма-излучения с использованием сцинтилляционных кристаллов на основе CsI(Tl) и NaI(Tl). Однако при работе данных детекторов наблюдается изменение формы световой вспышки при изменении температуры, что приводит к нелинейной температурной зависимости амплитуды сцинтилляционных импульсов и, соответственно, к снижению точности измерения. [Grodzicka M. et al. Characterization of CsI:Tl at a wide temperature range (-40°C to +22°C), 2013, NIM-A, 707, P. 73-79], [Ianakiev K.D. et al. Temperature behavior of NaI(Tl) scintillation detectors, 2009, NIM-A, 607, P. 432-438].

В случае поисковых детекторов гамма-излучения описанные эффекты критически сказываются при работе с источниками ионизирующего излучения, излучающими в рентгеновском диапазоне, такими как Am₂₄₁, излучающем фотоны энергией 59,5кэВ. Фотоны рентгеновского диапазона в сцинтилляционном детекторе характеризуются сигналом малой амплитуды, немногим превышающим порог регистрации прибора, находящийся, как правило, в диапазоне 30-50 кэВ. Поэтому, зависимость характеристик сцинтилляционного кристалла и фотоприемника от температуры может приводить к потере чувствительности детектора к низкоэнергичному излучению в условиях низких и/или высоких температур. Также в случае повышенных температур амплитуда шумовых сигналов от фотоприемников типа Si-ФЭУ может превышать порог регистрации, что приводит к ложному возрастанию скорости счета детектора, и, как следствие, к потере им работоспособности.

Из описания к патенту на полезную модель RU 163078 известен детектор гамма-излучения для регистрации источника ионизирующего излучения, включающий Si-ФЭУ в качестве фотоприемника, сцинтилляционный кристалл, источник питания, преобразователь высокого напряжения, питающий посредством схемы подачи напряжения смещения на детекторный модуль, и преобразователь низкого напряжения, питающий компаратор, контроллер, блок индикации, блок температурного контроля, блок контроля питания и блок включения. Данное устройство компенсирует температурную зависимость формы сцинтилляционных импульсов с помощью схемотехнических решений, но не учитывает изменение их амплитуды. К недостаткам данного спектрометра также можно отнести отсутствие средств компенсации роста шумовой характеристики фотоприемника в области высоких температур.

Наиболее близким к заявляемому решению является детектор гамма-излучения по патенту на изобретение RU 2646542, использующий Si-ФЭУ в качестве фотоприемника в одной из своих реализаций, содержащий сцинтилляционный кристалл CsI(T1) или NaI(T1), датчик температуры сцинтилляционного кристалла, линейный усилитель сигнала, процессор детекторных импульсов и контроллер в качестве управляющего и счетного устройства. В данном устройстве температурная зависимость может компенсироваться с учетом показаний датчика температуры, расположенного в блоке регистрации гамма-излучения, с помощью изменения напряжения смещения, подаваемого на фотоприемник. К недостаткам данного устройства можно отнести отсутствие учета нелинейной температурной зависимости амплитуды сцинтилляционных импульсов и отсутствие средств, обеспечивающих работоспособность детектора в области повышенных температур.

Перечисленные недостатки всех описанных выше устройств делают их не применимыми для работы в широком температурном диапазоне, характерном для задач радиационного контроля окружающей среды.

Технической проблемой является создание поискового сцинтилляционного детектора, пригодного для работы в широком диапазоне температур (от - 65 до + 70°C) в составе носимого оборудования радиационного контроля окружающей среды.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат заключается в обеспечении работоспособности и стабильности показаний детектора гамма-излучения, выполненного на основе сцинтилляционного кристалла и Si-ФЭУ в качестве фотоприемника, в широком диапазоне температур окружающей среды - от минус 65°C до плюс 70°C.

Технический результат достигается за счет использования в детекторе усовершенствованного блока регистрации гамма-излучения, включающего пару идентичных кремниевых фотоприемников Si-ФЭУ, оптически соединенных со сцинтилляционным кристаллом, пару идентичных усилителей-формирователей, подключенных к фотоприемникам, и схему совпадений. Сигналы с фотоприемников при превышении заданного порога по амплитуде независимо преобразуются в прямоугольные импульсы в двух идентичных усилителях-формирователях, после чего поступают в схему совпадений, которая, в случае совпадения сигналов по времени, генерирует импульс, регистрируемый счетным устройством. Данная схема позволяет компенсировать возрастание шумовой характеристики фотоприемников в области высоких температур, исключая из регистрации шумовые сигналы, расширяя температурный рабочий диапазон детектора благодаря тому, что шумовые сигналы возникают в двух фотоприемниках в случайные моменты времени независимо друг от друга и не пропускаются схемой совпадений. Технический результат достигается также за счет использования в детекторе усовершенствованного блока компенсации температурной зависимости, включающего датчик температуры, измеряющего температуру кристалла и фотоприемников, при этом датчик температуры подключен к управляющему устройству, выполненному с возможностью преобразования сигнала с датчика температуры по нелинейному закону в управляющее напряжение источника питания, который, изменяя напряжение на фотоприемнике Si-ФЭУ, стабилизирует показания детектора при изменении температуры. Сцинтилляционный кристалл с фотоприемниками и датчиком температуры изолированы от внешней среды с помощью оболочки из вспененного полимера - термостата, предотвращающего их повреждение при резком изменении температуры внешней среды, что также положительно сказывается на точности показаний детектора.

Указанный результат достигается тем, что поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения содержит размещенные в корпусе блок регистрации гамма-излучения, включающий сцинтилляционный кристалл, оптически соединенный с фотоприемником, подключенным к усилителю-формирователю сигнала, а также счетное устройство гамма-квантов; и блок компенсации температурной зависимости, включающий последовательно соединенные датчик температуры, управляющее устройство, источник питания; при этом источник питания блока компенсации температурной зависимости соединен с фотоприемником блока регистрации гамма-излучения. При этом блок регистрации гамма-излучения содержит второй фотоприемник, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом, второй усилитель-формирователь сигнала, соединенный со вторым фотоприемником, а также схему совпадений импульсов сигналов с фотоприемников по времени, выход которой соединен с входом счетного устройства. Первый и второй усилители-формирователи сигнала параллельно подключены к соответствующим входам схемы совпадений. Управляющее устройство блока компенсации температурной зависимости выполнено с возможностью преобразования данных с датчика температуры в управляющее напряжение, поступающее на источник питания фотоприемников, по нелинейному закону. Также сцинтилляционный кристалл, фотоприемники и датчик температуры размещены в термостате, выполненном с возможностью защиты кристалла от перепада температур.

Кроме того, фотоприемники представляют собой кремниевые фотоэлектронные умножители (Si-ФЭУ).

Кроме того, термостат выполнен из вспененного полиэтилена толщиной не менее 5 мм.

Результат также достигается тем, что термостат выполнен с возможностью изменения температуры среды в нем со скоростью не быстрее 0,5°С/мин.

Также сцинтилляционный кристалл выполнен на основе кристалла NaI(Tl) или кристалла CsI(Tl).

Кроме того, счетное устройство гамма-квантов и управляющее устройство выполнены на базе единого микроконтроллера.

Кроме того, фотоприемники расположены на единой плате.

Краткое описание чертежей

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема устройства, на фиг 2 продемонстрирована его работоспособность в диапазоне температур от минус 65°C до плюс 70°C.

Позициями на фиг.1 обозначены: 1 - блок регистрации гамма-излучения, 2 - блок компенсации температурной зависимости, 3 – сцинтилляционный кристалл, 4 – фотоприемники, 5 – усилители-формирователи, 6 – схема совпадения импульсов сигналов, 7- счетное устройство гамма-квантов, 8 – датчик температуры, 9 - управляющее устройство, 10- источник питания, 11 – термостат. На фиг.2 линия 1 демонстрирует скорость счета фотонов от Am241 заявленного устройства без компенсации температурной зависимости, линия 2 – с компенсацией температурной зависимости, но без совпадений с сигналами второго фотоприемника, линия 3 – с компенсацией температурной зависимости и при совпадении сигналов с двух фотоприемников (в области < 40˚С линии 2 и 3 совпадают).

Осуществление изобретения

Ниже представлено более детальное описание заявляемого поискового сцинтилляционного детектора гамма-излучения.

Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения включает блок регистрации гамма-излучения 1, соединенный с блоком компенсации температурной зависимости 2.

Блок регистрации гамма-излучения 1 включает сцинтилляционный кристалл 3, оптически соединенный с двумя параллельно подключенными фотоприемниками 4, в качестве которых используют Si-ФЭУ. Тип и размеры сцинтилляционного кристалла определяются требованиями к детектору по чувствительности, загрузочной способности, массо-габаритным ограничениям. В частности, могут быть использованы широко распространённые кристаллы NaI(Tl) или CsI(Tl). В качестве фотоприемников типа Si-ФЭУ могут быть использованы схемы, известные из уровня техники, обеспечивающие регистрацию в диапазоне длин волн, излучаемых сцинтиллятором световых вспышек (например, для NaI(Tl) около 410 нм). Оптический контакт между сцинтилляционным кристаллом и фотоприемниками может быть реализован с помощью оптического клея или с помощью воздушного зазора.

Кроме того, в блоке регистрации гамма-излучения выходы первого и второго фотоприемников 4 соединены со входами первого и второго усилителей-формирователей 5, соответственно. Усилители-формирователи 5 представляют собой схему, преобразующую сигналы с фотоприемника в прямоугольные импульсы, при условии превышения первыми заданного порога (порога регистрации, соответствующего, как правило, уровню 30-50 кэВ по энергетической шкале). Выходы первого и второго усилителей-формирователей 5 соединены со входами схемы совпадений импульсов сигналов 6. Схема совпадений импульсов сигналов 6 должна обладать быстродействием, обеспечивающим регистрацию совпадающих сигналов от усилителей-формирователей 5 при их перекрытии по времени по крайней мере на 50%. Выход схемы совпадений импульсов сигналов 6 соединен со входом счетного устройства гамма-квантов 7, которое должно обладать быстродействием, обеспечивающим работу детектора при максимальной загрузке детектора.

Блок компенсации температурной зависимости 2 включает датчик температуры 8, выполненный с возможностью измерения температуры внутри термостата 11, при этом датчик температуры соединен своим выходом со входом управляющего устройства 9. Управляющее устройство соединено с фотоприемниками 4 через источник питания 10. Для уменьшения потребляемой мощности предпочтительна реализация управляющего 9 и счетного 7 устройств в рамках единого устройства на базе микроконтроллера. Источник питания 10 представляет собой маломощный преобразователь постоянного напряжения с амплитудой шумов не более ±20мВ и должен обладать возможностью изменения выдаваемого напряжения в диапазоне V₀±1,5В под действием управляющего сигнала, где V₀ – оптимальное напряжение питания Si-ФЭУ при комнатной температуре.

Кроме того, сцинтилляционный кристалл 3, фотоприемники 4 размещены вместе с датчиком температуры 8 в термостате 11, выполненным с возможностью защиты сцинтилляционного кристалла 3 от перепада температур. Термостат 11 может быть выполненным из материала, известного из уровня техники, обеспечивающего скорость изменения температуры среды в корпусе не быстрее 0,5°С/мин, и обеспечивающего защиту детектора от механических нагрузок: ударов и вибраций. Предпочтительным является выполнение термостата 11 из вспененного полиэтилена толщиной от 5 до 10 мм, обеспечивающего устойчивую работу заявляемого детектора гамма-излучения при изменяющейся в широком диапазоне температуры окружающей среды.

Заявляемый детектор может осуществлять измерение интенсивности рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне 50…3000 кэВ в составе с дополнительным оборудованием – пультом, обеспечивающим подачу питания на детектор, а также считывание и отображение измерительных данных детектора. Детектор в составе с пультом может быть реализован в виде комплекса носимого оборудования для решения задач радиационного контроля окружающей среды, поиска и обнаружения источников ионизирующего излучения. Все конструктивные элементы заявляемого детектора гамма-излучения размещены в едином герметичном металлическом корпусе, имеющем разъем для подключения к внешним устройствам.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Сцинтилляционный кристалл 3, поглощая гамма-квант от источника ионизирующего излучения, излучает поток фотонов, преобразуемый двумя фотоприемниками 4 в импульсы тока. Сигнал с каждого фотоприемника 4 преобразуется в прямоугольные импульсы собственным усилителем-формирователем 5 при превышении сигнала заданного порога по амплитуде. Преобразованные сигналы поступают в схему совпадений 6, которая генерирует импульс, регистрируемый счетным устройством 7, только в случае совпадения сигналов с фотоприёмников 4 по времени, тем самым предотвращая регистрацию шумовых сигналов, в области повышенных температур. Для компенсации температурной зависимости амплитуды импульсов с фотоприёмников 4, данные с датчика температуры 8 передаются управляющему устройству 9, который преобразует сигнал по нелинейному закону в управляющее напряжение источника питания 10. Источник питания 10, изменяя напряжение питания фотоприемников 4, компенсирует температурную зависимость амплитуды импульсов и, тем самым, стабилизирует показания детектора гамма-излучения при изменении температуры. Конкретный вид нелинейного преобразования данных датчика температуры 8 в управляющее напряжение определяется при предварительной температурной калибровке детектора и сохраняется в памяти управляющего устройства.

Пример реализации изобретения

Реализация предложенного поискового детектора гамма-излучения представлена на фиг.1, в котором был использован сцинтилляционный кристалл NaI(Tl) размером ø25×25мм, обеспечивающем чувствительность детектора на уровне 250 имп./с/мкЗв и загрузочную способность до 5×10⁵ имп./с, к которому оптически присоединены два фотоприемника на базе Si-ФЭУ размером 6×6мм производства фирмы SensL. Анодные выходы Si-ФЭУ соединены с двумя пороговыми двухкаскадными усилителями-формирователями, с операционными усилителями AD8031 в первом каскаде, и быстродействующими компараторами MAX9109 во втором. Пороги срабатывания компараторов были установлены на уровне 70 мВ. Входы усилителей-формирователей соединены со схемой совпадений, реализованной на базе последовательно соединенных микросхем TTL-логики: SN74AHC1G08, работающей как двухвходовый элемент “И”, и HD74HC123A, включенной как длящийся одновибратор. Выход схемы совпадений соединён со счетным устройством, реализованным на базе микроконтроллера STM32L452. На базе того же микроконтроллера реализовано управляющее устройство, которое считывает данные с датчика температуры, расположенного на одной плате с фотоприемниками, и преобразует их по нелинейному закону (полином второй степени) с помощью сохранённых в памяти микроконтроллера коэффициентов в управляющее напряжение, которое поступает в источник питания фотоприемников. Источник питания реализован на базе преобразователя напряжения MC33063A, он вырабатывает постоянное напряжение +27В при комнатной температуре и изменяет его под действием управляющего сигнала в диапазоне ±1,5В. Напряжение, вырабатываемое источником питания, подается на катодные выходы Si-ФЭУ. Сцинтилляционный кристалл, плата с фотоприемниками и датчиком температуры со всех сторон окружены термостатом, изготовленным из вспененного полиэтилена толщиной 10 мм. Все элементы заявляемого детектора гамма-излучения расположены в едином герметичном металлическом корпусе ø70×150мм с разъемом для соединения с другими устройствами (пультом).

Результаты испытаний предложенного поискового детектора в виде описанной реализации показаны на фиг.2. Испытания проводились в температурной камере в диапазоне температур от минус 65 до плюс 70˚С. Измерялась скорость счета фотонов от источника ионизирующего излучения Am₂₄₁, излучающего фотоны энергией 59,5кэВ вблизи порога регистрации детектора, который был установлен на 40 кэВ. Измеренные скорости счета были нормированы на единицу в области комнатных температур. В первом случае (линия 1) измерялась температурная зависимость скорости счета детектора без компенсации температурной зависимости (блок компенсации температурной зависимости был отключен, источник питания выдавал на Si-ФЭУ постоянное напряжение +27В). На полученном графике наблюдается возрастание скорости счета на 20 % в окрестности температуры минус 30˚C и постепенное падение счета до нуля при росте температуры от плюс 20 ˚С до плюс 70˚С. Таким образом, при работе детектора без компенсации температурной зависимости наблюдается значительная зависимость показаний детектора от температуры окружающей среды. Во втором случае (линия 2) измерялась температурная зависимость детектора, работающего в режиме, аналогичном прототипу, описанному в патенте RU 2646542: компенсация температурной зависимости присутствует, но не используются средства подавления роста шумовой характеристики фотоприемников в области высоких температур (сигналы с одного усилителя-формирователя регистрируются в обход схемы совпадений, а со второго не регистрируются вовсе). В этом случае скорость счета стабилизировалась в пределах ±5%, но в диапазоне выше плюс 40˚C счет резко возрастал из-за вклада шумовых сигналов Si-ФЭУ, что приводило детектор в неработоспособное состояние (в диапазоне меньше плюс 40 ˚C линия 2 совпадает с линией 3). В третьем случае (линия 3) проверялась заявляемая схема поискового детектора: одновременно применялись компенсация температурной зависимости и схема совпадения сигналов с двух Si-ФЭУ. В этом случае возрастания скорости счета в высокотемпературной области не наблюдалось, детектор сохранял работоспособность и стабильность скорости счета в пределах ±5% во всем исследованном температурном диапазоне. Таким образом, проведенные исследования заявляемого детектора продемонстрировали достижение технического результата: была обеспечена работоспособность и стабильность показаний поискового гамма-детектора на основе сцинтилляционного кристалла и Si-ФЭУ в широком диапазоне температур окружающей среды от минус 65°C до плюс 70°C.

Изобретение относится к измерению рентгеновского и гамма-излучения. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения дополнительно содержит второй фотоприемник, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом, второй усилитель-формирователь сигнала, соединенный со вторым фотоприемником, а также схему совпадений импульсов сигналов с фотоприемников по времени. Управляющее устройство блока компенсации температурной зависимости выполнено с возможностью преобразования данных с датчика температуры в управляющее напряжение, поступающее на источник питания фотоприемников, по нелинейному закону. Сцинтилляционный кристалл, фотоприемники и датчик температуры размещены в термостате. Технический результат – обеспечение работоспособности и стабильности показаний детектора гамма-излучения, выполненного на основе сцинтилляционного кристалла и Si-ФЭУ в качестве фотоприемника в широком диапазоне температур окружающей среды - от минус 65°C до плюс 70°C. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения, содержащий размещенные в корпусе блок регистрации гамма-излучения, включающий сцинтилляционный кристалл, оптически соединенный с фотоприемником, подключенным к усилителю-формирователю сигнала, а также счетное устройство гамма-квантов; и блок компенсации температурной зависимости, включающий последовательно соединенные датчик температуры, управляющее устройство, источник питания; при этом источник питания блока компенсации температурной зависимости соединен с фотоприемником блока регистрации гамма-излучения, отличающийся тем, что

блок регистрации гамма-излучения содержит второй фотоприемник, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом, второй усилитель-формирователь сигнала, соединенный со вторым фотоприемником, а также схему совпадений импульсов сигналов с фотоприемников по времени, выход которой соединен с входом счетного устройства, при этом первый и второй усилители-формирователи сигнала параллельно подключены к соответствующим входам схемы совпадений,

а управляющее устройство блока компенсации температурной зависимости выполнено с возможностью преобразования данных с датчика температуры в управляющее напряжение, поступающее на источник питания фотоприемников, по нелинейному закону,

при этом сцинтилляционный кристалл, фотоприемники и датчик температуры размещены в термостате, выполненном с возможностью защиты кристалла от перепада температур.

2. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п.1, отличающийся тем, что фотоприемники представляют собой кремниевые фотоэлектронные умножители (Si-ФЭУ).

3. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п.1, отличающийся тем, что термостат выполнен из вспененного полиэтилена толщиной не менее 5 мм.

4. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п.1, отличающийся тем, что термостат выполнен с возможностью изменения температуры среды в нем со скоростью не быстрее 0,5°С/мин.

5. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п.1, отличающийся тем, что сцинтилляционный кристалл выполнен на основе кристалла NaI(Tl) или кристалла CsI(Tl).

6. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п.1, отличающийся тем, что счетное устройство гамма-квантов и управляющее устройство выполнены на базе единого микроконтроллера.

7. Поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п.1, отличающийся тем, что фотоприемники расположены на единой плате.