Миниатюрный детектор фотонного излучения Российский патент 2024 года по МПК G01T1/203 

Настоящее изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для изготовления приборов, измеряющих эквивалентную мощность дозы и эквивалент дозы непрерывного и импульсного рентгеновского и гамма (фотонного) излучения в широком диапазоне энергий, мощностей доз и длительностей импульса.

Известны сцинтилляционные детекторы гамма-излучения, включающие датчик (блок детектирования) и блок электронной обработки сигналов (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий / Ю.К.Акимов. М.: МГУ, 1963. 151 с.; US 4482808 А, МПК G01T3/06, 13.11.1984), в которых датчик содержит сцинтилляционный неорганический кристалл и фотодетектор (фотоэлектронный умножитель или фотодиод). Недостатками данных детекторов является отсутствие тканеэквивалентного отклика детектора, невозможность измерения коротких импульсов излучения, большие габариты, а также ограниченность диапазона измерения мощностей дозы.

Известен сцинтилляционный детектор гамма-квантов (RU 152171 U8, МПК G01T 1/20, 10.05.2015), который состоит из неорганического сцинтиллятора для регистрации гамма-квантов, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), имеющего оптический контакт с неорганическим сцинтиллятором, а также сопутствующую электронику. Недостатками данного технического решения являются большие габаритные размеры, требования к питанию, сильная зависимость чувствительности от энергий фотонного излучения, а также узкий диапазон рабочих мощностей доз и невозможность измерения коротких импульсов излучения.

Известен миниатюрный дозиметр-радиометр-спектрометр с цифровым шумоподавлением и регистрацией вибрации (RU 156901 U1, МПК G01T 1/167, 20.11.2015). Устройство содержит два параллельно включенных измерительных канала, каждый из которых содержит кремниевый детектор ионизирующего излучения с преобразователем напряжения, соединенным выходом с входом управляемого зарядочувствительного усилителя, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя, а выход последнего - с входом амплитудно-цифрового преобразователя, включающего схему спектрометра с набором компараторов, причем к зарядочувствительным усилителям измерительных каналов подключен калибратор, а выходы амплитудно-цифровых преобразователей измерительных каналов соединены через решающее устройство с интерфейсом беспроводной связи. Недостатками данного устройства является отсутствие тканеэквивалентного отклика детектора, невозможность измерения коротких импульсов излучения, а также ограниченность диапазона измерения мощностей дозы.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является поисковый сцинтилляционный детектор гамма-излучения для работы в широком диапазоне температур (RU 2750130 C1, МПК G01T 1/208, 22.06.2021), который состоит из детектора гамма-излучения, дополнительно содержащего 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.

Недостатками данного технического решения является отсутствие тканеэквивалентного отклика детектора, невозможность измерения коротких импульсов излучения, а также ограниченность верхнего диапазона измерения мощностей дозы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание малогабаритного, легкого по весу, измерительного тканеэквивалентного детектора непрерывного и импульсного фотонного излучения, работающего в широком диапазоне энергий (от 15 кэВ до 7,0 МэВ) и в широком диапазоне измерения мощностей эквивалентной дозы (от 0,01 мкЗв/ч до 50 Зв/ч), и регистрирующего короткие по времени (от единиц наносекунд) импульсы большой мощности.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен:

1. Миниатюрный детектор фотонного излучения, содержащий сцинтиллятор, оптически соединенный с двумя фотоприемниками, подключенными к электронным схемам усиления и обработки сигналов, размещенные в едином корпусе, имеющем разъем для подключения к внешним устройствам, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллятора используют полистирольный или поливинилтолуольный сцинтиллятор с добавлением олова или свинца в процентном содержании 0,5-2%,

первый фотоприемник электрически соединен с электронной схемой счета импульсов (счетный канал), содержащей усилитель-формирователь сигналов, аналого-цифровой преобразователь и радиоэлектронный функциональный узел (РЭФУ) преобразования полученного аппаратурного спектра в дозу фотонного излучения,

второй фотоприемник электрически соединен с электронной схемой измерения фототока (токовый канал), образующегося в фотоприемнике в результате отклика сцинтиллятора на фотонное излучение, и РЭФУ расчета дозы фотонного излучения по результатам измерения,

при этом счетный и токовый каналы подключены к единому микроконтроллеру, встроенное программное обеспечение которого обеспечивает получение данных от счетного канала или от токового канала, автоматический расчет эквивалента дозы и мощности дозы фотонного излучения и передачу информации по внешним интерфейсам.

2. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что фотоприемники представляют собой PIN-фотодиоды.

3. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого фотоприемника используется твердотельный фотоэлектронный умножитель (Si-ФЭУ), в качестве второго - PIN-фотодиод.

4. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что счетный канал содержит механизм температурной стабилизации.

5. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что счетный канал содержит механизм стробирования импульса.

6. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что фотоприемники со сцинтиллятором, счетный канал и токовый канал, микроконтроллер расположены на единой плате.

7. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что микроконтроллер содержит РЭФУ автоматического преобразования эталонной величины кермы в воздухе в индивидуальную эквивалентную дозу фотонного излучения и обеспечивает хранение калибровочных коэффициентов в энергонезависимой памяти.

8. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что на сцинтиллятор и два фотоприемника нанесено светоотражающее покрытие, например, из фторопласта, фольги, оксида магния, серебра.

9. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что единый корпус выполнен из светонепроницаемого пластика, например, АБС-пластика, полиэфирэфиркетона, полиформальдегида, полиуретана.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 представлена блок-схема сцинтилляционного блока детектора с находящимися с ним в оптическом контакте двумя фотоприемниками, где 1 – сцинтиллятор, 2 – фотоприемник счетного канала, 3 – фотоприемник токового канала, 4 – светоотражающее покрытие сцинтилляционного блока детектора.

На фиг. 2 показана блок-схема устройства, где 5 - сцинтилляционный блок детектора, 6 - схема измерения фототока (токовый канал), 7 – усилитель-формирователь сигналов счетного канала, 8 - аналого-цифровой преобразователь сигналов (далее – АЦП), 9 - механизм температурной стабилизации, 10 - микроконтроллер, 11 - интерфейсы передачи данных детектора.

Предлагаемый миниатюрный детектор фотонного излучения содержит сцинтиллятор 1, выполненный из поливинилтолуола или полистирола. Сцинтиллятор 1 имеет добавки металлов, таких как свинец или олово в процентном содержании 0,5-2%. Данные добавки в указанном процентном содержании обеспечивают тканеэквивалентный отклик устройства при малых габаритных размерах детектора.

Сцинтиллятор 1 оптически соединен с двумя независимыми фотоприемниками 2 и 3 (сцинтилляционный блок детектора 5), подключенными к соответствующим электронным схемам обработки сигналов. Первый фотоприемник 2 электрически соединен с электронной схемой счета импульсов (счетный канал) и обеспечивает работу детектора при малых мощностях дозы фотонного излучения. Второй фотоприемник 3 электрически соединен с электронной схемой измерения фототока (токовый канал) и обеспечивает работу детектора при высоких, в том числе импульсных, значениях мощностей дозы фотонного излучения. В качестве первого фотоприемника 2 может использоваться твердотельный фотоэлектронный умножитель (Si-ФЭУ), находящийся в оптическом контакте со сцинтиллятором 1. В качестве второго фотоприемника 3 может использоваться находящийся в оптическом контакте с тем же сцинтиллятором 1 кремниевый PIN-фотодиод. В другом варианте устройства в качестве первого и второго фотоприемников 2 и 3 могут использоваться кремниевые PIN-фотодиоды.

На сцинтиллятор 1 и два фотоприемника 2 и 3 нанесено покрытие из светоотражающего материала, например, из фторопласта, фольги, оксида магния, серебра.

Счетный канал содержит усилитель-формирователь сигналов 7, аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП) и радиоэлектронный функциональный узел (РЭФУ) преобразования полученного аппаратурного спектра в дозу фотонного излучения. К усилителю-формирователю 7 сигнала фотоприемника 2 счетного канала электрически подключен АЦП 8 для получения сцинтилляционного спектра фотонного излучения, что позволяет проводить дополнительную компенсацию энергетического отклика сцинтиллятора 1 и расчёт эквивалентной дозы фотонного излучения при низких загрузках. Счетный канал содержит механизм температурной стабилизации 9 для стабилизации спектра при преобразовании спектр-доза. Механизм температурной стабилизации 9 состоит из схемы измерения температуры и схемы изменения напряжения смещения на фотоприемнике 2. Счетный канал содержит механизм стробирования импульса (на фиг. 2не показан), что позволяет расширить диапазон рабочих загрузок детектора в счетном канале для измерения больших по величине значений эквивалента мощности дозы (до 50 Зв/ч).

Токовый канал 6 содержит электронную схему измерения величины фототока 6, образующегося в фотоприемнике 3 в результате регистрации сцинтилляционных импульсов сцинтиллятора 1, и РЭФУ расчета дозы фотонного излучения по результатам измерения.

Токовый канал 6 и счетный канал электрически подключены к единому микроконтроллеру 10 с внешними интерфейсами передачи данных 11. Микроконтроллер 10 содержит встроенное программное обеспечение, которое обеспечивает передачу информации по внешним интерфейсам и получение данных от счетного канала или от токового канала с расчётом результирующего значения мощности эквивалентной дозы и эквивалентной дозы фотонного излучения.

Все конструктивные элементы заявляемого детектора размещены в едином корпусе из светонепроницаемого пластика, например, АБС-пластика, полиарилэфирэфиркетона, полиформальдегида, полиуретана. Единый корпус имеет интерфейс для подключения к внешним устройствам.

Фотоприемники 2 и 3 со сцинтиллятором 1, счетный канал и токовый канал 6, микроконтроллер 10 расположены на одной печатной плате.

Миниатюрный детектор фотонного излучения работает следующим образом. При попадании кванта энергии фотонного излучения в сцинтиллятор 1 в нем возникает вспышка света, яркость которой пропорциональна энергии гамма-кванта. Вспышка света регистрируется и преобразуется в электрический импульс двумя фотоприемниками 2 и 3, находящимися в оптическом контакте со сцинтиллятором 1. Первый фотоприемник 2 электрически соединен с электронной схемой счета импульсов (счетный канал), второй фотоприемник 3 электрически соединен с электронной схемой измерения тока 6 (токовый канал).

Счетный канал построен по схеме измерения параметров и счета отдельных импульсов с использованием АЦП 8, что позволяет получать аппаратурный спектр фотонного излучения. В данном канале используется механизм температурной стабилизации 9 для стабильной работы спектрометра на разных температурах. В счетном канале используется механизм стробирования импульса (управления питанием фотоприемника 2), что обеспечивает работу счетного канала на более высоких мощностях дозы фотонного излучения.

Токовый канал 6 построен по схеме измерения фототока, образующегося в фотоприемнике 3 в результате регистрации вспышек света от сцинтиллятора 1 и, таким образом, может корректно работать при высоких значениях мощностей доз фотонного излучения, а также при измерении коротких импульсов, в том числе наносекундной длительности с большим значением амплитуды импульса.

Встроенный микроконтроллер 10 детектора обрабатывает сигнал с обоих каналов измерения и выдает результирующую величину эквивалента дозы за время измерения, а также мощность эквивалента дозы в каждый момент времени. Встроенное программное обеспечение микроконтроллера 10 обеспечивает передачу информации по внешним интерфейсам и содержит алгоритм обработки данных токового и счетного каналов и выдачи результирующего значения. В частности, при малых значениях мощностей доз фотонного излучения, результирующее значение определяется величиной счетного канала, при высоких значениях – токового. В области, где может корректно работать как токовый, так и счетный каналы, микроконтроллер 10 может выдавать взвешенное значение двух величин. Дополнительно алгоритм перехода может содержать механизм гистерезиса при переходе от значений токового канала 6 к счетному и обратно. Микроконтроллер 10 содержит РЭФУ автоматического преобразования эталонной величины кермы в воздухе в индивидуальную эквивалентную дозу фотонного излучения и хранит калибровочные коэффициенты в энергонезависимой памяти.

Дополнительные добавки металлов (свинец, олово) в сцинтилляторе 1 позволяют минимизировать размер детектора, при этом сохраняя тканеэквивалентность отклика таким образом, что взаимодействие фотонного излучения с объемом детектора близко к взаимодействию излучения с тканью человека.

Заявляемый детектор может осуществлять измерение интенсивности фотонного излучения в диапазоне от 15 кэВ до 7,0 МэВ и в широком диапазоне измерения мощности эквивалентной дозы - от 0,01 мкЗв/ч до 50 Зв/ч за счет того, что содержит пластиковый сцинтиллятор 1 с двумя фотоприениками 2 и 3, работающими в разных режимах (подключены к разным электрическим схемам токового 6 и счетного канала), что расширяет возможность применения пластикового сцинтиллятора 1 в области дозиметрии фотонного излучения. Данный детектор за счет своих малых габаритов (не более 30х30х20 мм) может использоваться в любых устройствах дозиметрического контроля, полностью заменяя, к примеру, устройства на базе счетчиков Гейгера - Мюллера, полупроводниковых диодов, неорганических сцинтилляторов и им подобных, предназначенных для измерения эквивалента дозы (как индивидуального, так и амбиентного), и мощности эквивалента дозы. Дополнительным преимуществом данного детектора является возможность измерения эквивалента дозы коротких (от единиц наносекунд) импульсов фотонного излучения большой мощности в пике (досмотровые и медицинские ускорители, импульсные рентгеновские аппараты для дефектоскопии и т.д.).

Примеры реализации изобретения

Пример 1. Реализация предложенного миниатюрного детектора фотонного излучения предложена на фиг. 2. В данном детекторе был использован поливинилтолуольный сцинтиллятор 1 с добавлением свинца в процентном содержании 0,5 % EJ-256 производства Eljen Technology USA, размером 20х20х10 мм. К сцинтиллятору 1 оптически присоединены два фотоприемника 2 и 3: первый фотоприемник 2, соединенный с усилителем-формирователем сигнала 7, предназначен для работы в счетном режиме Si-ФЭУ размером 3х3 мм производства ONSEMI, USA. Второй фотоприемник 3 для работы в токовом режиме PIN-диод размером 10х10 мм производства Hamamatsu, Japan. Анодный выход Si-ФЭУ соединен с усилителем-формирователем сигналов 7 и пиковым детектором, выходной сигнал которого подается на АЦП 8, реализованным на базе микроконтроллера MSP430F5340 10. На базе этого же микроконтроллера 10 реализовано управление питанием Si-ФЭУ, учитывающее температурную зависимость усиления за счет механизма температурной стабилизации 9 и механизм стробирования импульса. PIN-фотодиод токового канала 6 работает как фотодетектор. Генерируемый свет создает электронно-дырочные пары и тем самым вызывает ток во внешней цепи, который затем усиливается и измеряется микроконтроллером 10 детектора. Оба измерительных канала работают независимо друг от друга. Сцинтиллятор 1 и фотоприемники 2 и 3 окружены светоизолирующим покрытием 4, выполненным из фторопласта. Алгоритм работы детектора следующий: на низких значениях мощностей доз фотонного излучения измерения проводятся счетным каналом. На высоких – токовым каналом 6. Для обеспечения непрерывности измерений в микроконтроллере 10, MSP430F5340, реализована схема перехода от показаний счетного канала к токовому каналу 6, а также механизм гистерезиса при переходах от нижнего значения к верхнему и обратно. Микроконтроллер 10 содержит РЭФУ автоматического преобразования эталонной величины кермы в воздухе в индивидуальную эквивалентную дозу фотонного излучения и хранит калибровочные коэффициенты в энергонезависимой памяти. Фотоприемники 2 и 3 со сцинтиллятором 1, счетный канал и токовый канал 6, микроконтроллер 10 расположены на единой плате. Все элементы заявляемого миниатюрного детектора фотонного излучения, включая электронику, собраны в единый корпус из АБС-пластика размером 30х30х20 мм с разъемом для соединения с другими устройствами по интерфейсам USB. Вес миниатюрного детектора фотонного излучения составляет 50 грамм.

Пример 2. Миниатюрный детектор фотонного излучения для измерения индивидуального эквивалента дозы и использования в малогабаритном персональном дозиметре. Детектор реализован таким же образом, как и в примере 1. Отличие состоит в том, что используется сцинтиллятор 1 из полистирола с добавлением свинца в процентном содержании 2%. Фотоприемники 2 и 3 представляют собой PIN-фотодиоды производства Vishay Intertechnology, USA. Сцинтиллятор 1 и фотоприемники 2 и 3 окружены светоотражаюшим покрытием 4, выполненным из оксида магния. Внешний корпус отсутствует. Микроконтроллер 10, в данной реализации STM32L, на основании данных, получаемых от токового 6 и счетного каналов, производит расчет индивидуального эквивалента дозы с использованием коэффициентов, рассчитанных микроконтроллером 10 при проведении государственной поверки на эталонах с использованием тканеэквивалентного фантома. Далее, рассчитанная величина индивидуального эквивалента дозы и мощности индивидуального эквивалента передается в основной контроллер дозиметра по интерфейсу 11, в данной реализации UART.

Пример 3. Миниатюрный детектор фотонного излучения использования в автономном посте радиационного контроля УГМ-03. Детектор реализован таким же образом, как и в примере 1. Отличие состоит в том, что используется сцинтиллятор 1 из поливинилтолуола с добавлением олова в процентном содержании 2 %. Сцинтиллятор 1 и фотоприемники окружены светоотражающим покрытием 4, выполненным из фольги. Единый корпус выполнен из полиуретана. Микроконтроллер 10, в данной реализации STM32L, на основании данных, получаемых от токового 6 и счетного каналов, производит расчет амбиентного эквивалента дозы с использованием коэффициентов, рассчитанных микроконтроллером 10 при проведении государственной поверки на эталонах. Далее, рассчитанная величина амбиентного эквивалента дозы и мощности амбиентного эквивалента передается в основной контроллер дозиметра по интерфейсу 11, в данной реализации RS-485.

Пример 4. Миниатюрный детектор фотонного излучения реализован таким же образом, как и в примере 1. Отличие состоит в том, что используется сцинтиллятор 1 из полистирола с добавлением олова в процентном содержании 0,5 %. На сцинтиллятор 1 и два фотоприемника 2 и 3 нанесено покрытие из светоотражающего материала из серебра. Внешний корпус выполнен из полиэфирэфиркетона.

Предложенный миниатюрный детектор фотонного излучения может широко использоваться при производстве индивидуальных и амбиентных дозиметров, радиационных мониторов и иных устройств измерения ионизирующего излучения.

Изобретение относится к ядерной технике. Миниатюрный детектор фотонного излучения содержит сцинтиллятор, выполненный из полистирола или поливинилтолуола с добавлением олова или свинца в процентном содержании 0,5-2%, первый фотоприемник, электрически соединенный с электронной схемой счета импульсов (счетный канал), второй фотоприемник, электрически соединенный с электронной схемой измерения фототока (токовый канал), счетный и токовый каналы подключены к единому микроконтроллеру, встроенное программное обеспечение которого обеспечивает получение данных от счетного канала или от токового канала, автоматический расчет эквивалента дозы и мощности дозы фотонного излучения и передачу информации по внешним интерфейсам. Технический результат – расширение диапазона энергий, диапазона измерения мощности эквивалентной дозы и регистрация коротких по времени импульсов большой мощности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

1. Миниатюрный детектор фотонного излучения, содержащий сцинтиллятор, оптически соединенный с двумя фотоприемниками, подключенными к электронным схемам усиления и обработки сигналов, размещенные в едином корпусе, имеющем разъем для подключения к внешним устройствам, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллятора используют полистирольный или поливинилтолуольный сцинтиллятор с добавлением олова или свинца в процентном содержании 0,5-2%,

первый фотоприемник электрически соединен с электронной схемой счета импульсов (счетный канал), содержащей усилитель-формирователь сигналов, аналого-цифровой преобразователь и радиоэлектронный функциональный узел (РЭФУ) преобразования полученного аппаратурного спектра в дозу фотонного излучения,

второй фотоприемник электрически соединен с электронной схемой измерения фототока (токовый канал), образующегося в фотоприемнике в результате отклика сцинтиллятора на фотонное излучение, и РЭФУ расчета дозы фотонного излучения по результатам измерения,

при этом счетный и токовый каналы подключены к единому микроконтроллеру, встроенное программное обеспечение которого обеспечивает получение данных от счетного канала или от токового канала, автоматический расчет эквивалента дозы и мощности дозы фотонного излучения и передачу информации по внешним интерфейсам.

2. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что фотоприемники представляют собой PIN-фотодиоды.

3. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого фотоприемника используется твердотельный фотоэлектронный умножитель (Si-ФЭУ), в качестве второго - PIN-фотодиод.

4. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что счетный канал содержит механизм температурной стабилизации.

5. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что счетный канал содержит механизм стробирования импульса.

6. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что фотоприемники со сцинтиллятором, счетный канал и токовый канал, микроконтроллер расположены на единой плате.

7. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что микроконтроллер содержит РЭФУ автоматического преобразования эталонной величины кермы в воздухе в индивидуальную эквивалентную дозу фотонного излучения и обеспечивает хранение калибровочных коэффициентов в энергонезависимой памяти.

8. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что на сцинтиллятор и два фотоприемника нанесено светоотражающее покрытие, например, из фторопласта, фольги, оксида магния, серебра.

9. Миниатюрный детектор фотонного излучения по п.1, отличающийся тем, что единый корпус выполнен из светонепроницаемого пластика, например АБС-пластика, полиэфирэфиркетона, полиформальдегида, полиуретана.