Сцинтилляционный детектор Российский патент 2025 года по МПК G01T1/40 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к высокоэффективным сцинтилляционным детекторам ионизирующего излучения с ультранизким порогом регистрации энерговыделений и может быть использовано в ядерной и атомной физике, в радиометрической и спектрометрической аппаратуре. Как правило, в такой аппаратуре используются классические неорганические сцинтилляторы NaI(Tl), CsI(Tl) или их аналоги. Такие сцинтилляторы относительного большого объема с высоким световыходом обеспечивают энергетический порог регистрации излучения на уровне 20-40 кэВ, а отдельные детекторы небольших размеров могут иметь порог регистрации от 10 кэВ. Данные детекторы не могут обеспечить более низкий порог регистрации, поскольку классические сцинтилляторы имеют световой выход менее 60 000 фотонов/МэВ, а стандартные фотоэлектронные умножители имеют квантовую эффективность менее 30%. Как правило, уникально высокий светосбор можно получить только с сцинтиллятора небольшого размера с объемом порядка нескольких кубических сантиметров, что ограничивает эффективность регистрации ионизирующего излучения, особенно рентгеновского и гамма-излучения.

Уровень техники

Известно техническое решение RU 2 750 130 C1 - ПОИСКОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР. В патенте описывается сцинтилляционный детектор на основе сцинтиллятора c высоким световыходом NaI(Tl) или CsI(Tl) и фотоприемника SiPM. В изобретении был получен порог регистрации событий 40 кэВ в температурном диапазоне от -65°С до 70°С.

Известно также техническое решение RU 2 225 017 C2 - СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО РЕПЕРНОМУ ПИКУ. В патенте описывается способ снижения порога регистрации сцинтилляционного детектора на основе сцинтиллятора NaI(Tl) и ФЭУ. В патенте также описан способ анализа сигнала, который позволил снизить порог регистрации до 15 кэВ.

Наиболее близким к заявляемому решению является детектор гамма-излучения SC-MacroPixel-MCA, изготавливаемый компанией CapeScint (США) (https://capescint.com/wp-content/uploads/Scintillation-Probe-SC-MacroPixel-MCA-Datasheet.pdf). Этот детектор состоит из одиночного сцинтиллятора SrI₂(Eu) размером 14х14х25.4 мм³ и матрицы из четырех кремниевых фотоумножителей. Заявленный энергетический порог регистрации составляет 10 кэВ. Такой относительно низкий порог регистрации обеспечен уникальным световым выходом сцинтиллятора SrI2(Eu), около 100-120 тысяч фотонов/МэВ, и небольшим размером кристалла, обеспечивающим наилучшее светособирание. Недостатком данного прибора является небольшая эффективность регистрации излучения, обусловленная малым размером сцинтиллятора, и высокие тепловые шумы фотодиодной матрицы, не позволяющие уменьшить порог регистрации ниже 10 кэВ.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высокоэффективного детектора ионизирующего излучения с энергетическим порогом регистрации около 1 кэВ.

Технический результат заключается в увеличении эффективности регистрации излучения, подавлении тепловых шумов фотодетекторов и уменьшении энергетического порога регистрации сигналов при минимальном количестве электронных каналов считывания.

Технический результат достигается тем, что детектор, предназначенный для регистрации ионизирующих излучений, содержащий сцинтиллятор SrI2(Eu) и матрицу кремниевых фотоумножителей SiPM, отличается тем, что включает четыре индивидуальных сцинтилляционных кристалла SrI2(Eu), с формированием структуры матрицы кремниевых фотоумножителей SiPM, при которой каждый сцинтилляционный кристалл связан с четырьмя SiPM, соединенными через схемы совпадений и кодировки сигналов с SiPM соседних кристаллов, которые обеспечивают подавление темновых шумов SiPM, понижение порога регистрации и сохранение числа каналов съемов сигналов, равное количеству кристаллов в детекторе. Использование четырех кристаллов обеспечивает большой объем сцинтиллятора, необходимый для эффективной регистрации ионизирующего излучения. При этом, индивидуальный съем сигнала с каждого кристалла обеспечивает оптимальное светособирание и минимальный энергетический порог регистрации, который дополнительно уменьшается за счет схем совпадений, используемых в SiPM матрице. Совместное использование схем совпадений и кодировки обеспечивает число каналов съема сигналов, равное количеству индивидуальных кристаллов в детекторе, что позволяет использовать стандартные микросхемы аналогово-цифровых преобразователей с четырьмя аналоговыми входами.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлена структура детекторного модуля, состоящего из четырех кристаллов SrI2(Eu), и матрицы кремниевых фотоумножителей, имеющей прямой оптический контакт с сцинтилляторами. Слева представлена структура матрицы фотодетекторов из отдельных SiPM с индивидуальными номерами от 1 до 16, указанными на рисунке. Справа – вид детектора сбоку. 17- индивидуальные сцинтилляционные кристаллы, 18 - матрица SiPM.

На Фиг. 2 представлена организация схем совпадений и кодировки сигналов с детекторного модуля для подавления темнового тока SiPM. За счет кодировки каналов съема сигналов с различных сцинтилляционных кристаллов количество считывающих электронных каналов остается минимальным и равным количеству используемых кристаллов в детекторном модуле. 1-16 – порядковые номера отдельных кремниевых фотоумножителей матрицы SiPM; 19 – компараторы; 20 – схемы совпадений; 21 схема или, вырабатывающая общий триггер на запись события.

На Фиг.3 представлен спектр низкоамплитудных сигналов с детектора, демонстрирующий работу детектора в режиме счета одиночных фотонов и используемый для калибровки детектора. Здесь пики в порядке нарастания амплитуды соответствуют регистрации одного, двух и трех фотонов.

На Фиг. 4 показан низкоэнергетическая часть спектра энерговыделений от гамма-источника ²⁴¹Am в сцинтилляционном детекторе. Числами обозначены энергии в кэВ соответствующих гамма-линий. Левый пик, соответствующий энергии 2 кэВ, демонстрирует возможность использования детектора для регистрации событий с энерговыделением от 1 кэВ.

Осуществление изобретения

Предлагаемые выше подходы апробированы на опытном детекторе, состоящем из четырех сцинтилляционных кристаллов SrI2(Eu), размером 15x15х25 мм³ каждый. Такие размеры кристаллов выбраны как оптимальные для светособирания и считывания сигнала с помощью четырех фотодиодов, размером 6х6 мм² каждый. Длина кристалла обеспечивает малое поглощение света внутри самого сцинтиллятора. Структура детекторного модуля, состоящего из четырех кристаллов SrI2(Eu), и матрицы фотодиодов, имеющей прямой оптический контакт с сцинтилляторами представлена на фиг.1.

С целью снижения энергетического порога регистрации реализована схема совпадений и кодировки сигналов с матрицы SiPM, показанная на фиг. 2, которая позволяет значительно снизить тепловые шумы кремниевых фотоумножителей при сохранении минимального количества каналов считывающей электроники. Как видно на фиг.2, каждые два SiPM одного кристалла объединены с двумя SiPM соседнего кристалла. Таким образом, происходит перекрестное объединение индивидуальных фотоумножителей с разных кристаллов. Регистрация события в одном кристалле приводит к срабатыванию двух групп SiPM, сигналы с которых поступают на компараторы 19, а затем на схему совпадений 20. Выработка общего триггера на запись события в амплитудно-цифровых преобразователях происходит в общей схеме ИЛИ 21. Полученный удельный светосбор представленного детектора превышает значение 30 фотоэлектронов/кэВ, что позволяет установить порог в каждом из компараторов на уровне 15 фотоэлектронов. Одновременное срабатывание двух компараторов и, соответственно, одной из схем совпадений обеспечивает порог регистрации около 1 кэВ. Этот порог подтверждается низкоэнергетической частью спектра от радиоактивного источника ²⁴¹Am, приведенным на фиг.3. Самый левый пик с энергией 2 кэВ соответствует электронным переходам в оболочках атома стронция, входящего в состав сцинтиллятора.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующего излучения. Технический результат заключается в повышении эффективности регистрации излучения, подавлении тепловых шумов фотодетекторов и уменьшении энергетического порога регистрации сигналов при минимальном количестве электронных каналов считывания. Детектор, предназначенный для регистрации ионизирующих излучений, содержит сцинтилляторы SrI₂(Eu) и матрицу кремниевых фотоумножителей SiPM, при этом включает комбинацию четырех индивидуальных сцинтилляционных кристаллов SrI₂(Eu), с формированием структуры матрицы кремниевых фотоумножителей SiPM, при которой каждый сцинтилляционный кристалл связан с четырьмя SiPM, соединенными через схемы совпадений и кодировки сигналов с SiPM соседних кристаллов, которые обеспечивают подавление темновых шумов SiPM, понижение порога регистрации и число каналов съемов сигналов, равное количеству кристаллов в детекторе. 4 ил.

Детектор, предназначенный для регистрации ионизирующих излучений, содержащий сцинтилляторы SrI₂(Eu) и матрицу кремниевых фотоумножителей SiPM, отличающийся тем, что включает комбинацию четырех индивидуальных сцинтилляционных кристаллов SrI₂(Eu), с формированием структуры матрицы кремниевых фотоумножителей SiPM, при которой каждый сцинтилляционный кристалл связан с четырьмя SiPM, соединенными через схемы совпадений и кодировки сигналов с SiPM соседних кристаллов, которые обеспечивают подавление темновых шумов SiPM, понижение порога регистрации и число каналов съемов сигналов, равное количеству кристаллов в детекторе.