Сцинтилляционный спектрометр гамма-излучения Советский патент 1988 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к ядерной физике, а именно к спектрометрии г-амма-излучения, и может быть исполь човано для исследования всплесков гамма-излучения в космическом пространстве.

Цель изобретения - повьпчение чувствительности за счет увеличения активной поверхности для регистрации гамма-излучепия и уменьшения фонового излучения.

На фиг.1 представлен схематически блок детектирования; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.З - функди- овальная схема сцинтиллядиопного спектрометра гамма-излучения; на фиг. - схема, поясняющая метод определения направления прихода плоского фронта гамма-излучения с ис- пользованием анизотропной угловой чувствительности.

IjjioK детектирования (фиг.1) спектрометра (для случая семи детекторов) содержит (Ь-2 -3) детекторов 1 из неорганического сцинтиллятора на основе CsI(Te) в виде шестигранных призм (фиг,2) с отношением длины грани к высоте (,7, охранный детектор 2 в виде колпака из пластическог сцинтиллятора толщиной 10 мм, влаго- зalIl тный корпус 3, в котором размещены детекторы 1, основание А, к которому крепятся охранньо детектор 2 и охранный детектор 5 из пластического сцинтиллятора толщиной 15 мм, и фотоэлектрические преобразователи 6 в виде фотоумножителей ФУУ-110, прикрепленные через стеклянные пластины 7 к детекторам 1. Для случая использования соответственно 19, 43,...,(6-2 -5) детекторов конструкция блсжа детектирования аналогична Зазор между детекторами (ип1риной 2 мм) и между детекторами и влаго- защитным корпусом 3 заполнен непроз- paqfibiM наполнителем, Влагоза11Ц1тный корпус 3 выполнен из легкого сплава с толщиной стенок, позволяюсчей регистрировать гамма-излучение с энергией более 50 кэВ. Охранные детекторы 2 и 5 просматриваются восемью фотоэлектрическими пу еобразователями в виде фотоумножителей типа 4ЭУ-Р,5 каждьй (не показаны). Такая конструкция блока детектиуювания обеспе- чивает (как и и известном устройстве заи1иту от 3 iiiH«t jiHbix частиц в телесном угле А Тг.

0

; 0

) о Q .jj

5

0

Б юк электроники спектрометра содержит (фиг.З) дискриминаторы Я -Я , дискриминатор 9, блоки Ю -10 , антисовпадений, мажоритарный блок 11 сов- падер1ий, элементы ИЛИ 12 - 14,времен- Hoii анализатор 15, всплесковую ячейку 16, амплитудный анализатор 17, триггер 18, счетчики 19 - 19 импульсов и регистрирую1дий блок (не обозначен) .

Выходы фотоэлектрических преобразователей 6 детекторов 1 подключены через соответствующие дискриминаторы 8 к прямым входам блоков 10 антисовпадений, входы запрета которых соединены с одним входом элемента ИЛИ 13 и с выходом дискриминатора 9, подсоединенного входом к выходам фотоэлектронных преобразователей охранных детекторов 2 и 5. Выходы блоков 10 антисовпадений подключены к счетным входам счетчиков 19 импульсов, к соответствующим входам элементов ИЛИ 12 и 13 и к соответствующим входам мажоритарного блока 11 совпадений, выход которого соединен с одним входом регистрирующего блока. Выход элемента ИЛИ 12 подсоединен через временной анализатор 15 к другому входу регистрирующего блока и через всплесковую ячейку 16 и информативному входу триггера 18, подключенного входом сброса к выходу элемента ИЛИ 14 и выходом к входам обнуления счетчиков 19 импульсов, цифровые выходы которых подсоединены к третьей группе входов регистрирующего блока, а выходы переполнения подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ 14. Выход элемента ИЛИ 13 соединен с входом запрета амплитудного анализатора 17, подключенного выходами к четвертой группе входов регистрирующего блока и информационными входами к выходу фотоэлектрического преобразователя 6 центрального детектора 1.

Фиг.4 иллюстрирует метод определения направления прихода плоского фронта гамма-излучения с использованием анизотропной угловой чувствительности, обеспечиваемой взаимным затенением призм. Рассмотрим плоский

фронт гамма-излучения, падающий на

, -г рядом находя1циеся детекторы 1 и 1

под углом б к вертикальной оси X. Пусть азимутальный угол составляет 90 с осью X (фиг. 2), 111иу)ина одного

кристалла 1 ( по оси У) равна а , высота равна h.

Тогда, учитывая, что линейный коэффициент поглощения гамма-излуче- ния в детекторе 1 равен |u(E) для энергии гамма-квантов К, можно получить отношение числа отсчетов в детекторах 1 и 1 в следующем виде:

п

-а.КСа.П. (1)

h о где об --- tg9;

О

tr

cosO

Функция F (об, ) характеризует степень поглощения гамма-излучения

I 2

В детекторах 1 и 1 . Для практически важного случая, когда 1, получим

п.а , 1 h tg9 - ЩП9 , (2) п, а |ц(Ь) а

(U(E)A для Е 150 кэВ и (U(E) 10 для Е 1UO кэВ для детекторов 1 из CsI(Te).

Таким образом, при а 9 см зави

симость

f(9) определяется в

п

диапазоне энергий 50-150 кэВ вторым членом в формуле (2).

Угол 9 определяют по формуле

9 arc tg ( - 1) ,рад. (3)

Оценка погрешности определения угла

в

a/h

.(.ni .

L п HI

llnT- п7

При удельном энерговьщелении во всплеске в диапазоне (20-2).-Ю эрг/с и площади основания одного кристалла i 70 см получим СГд (-3 град.

Сцинтилляционный спектрометр гамма-излучения работает следующим образом.

Гамма-квант взаимодействует с одним из детекторов 1 (фиг.О, обра

зуя световую вспьипку, которая преобразуется в электрический импульс длительностью около 10 с соответст- вуюпцад фотоэлектрическим преобразо

5

10

5

.

)

25

30

35

40

45

см ,

т-55

вателем 6. При этом гамма-квант не взаимодействует с пластическим г,ци)1- тиллятором охранных детекторов 2 и 5. Импульсы с выходов фотоэлектрических преобразователей 6, соответству- юп{их детекторам 1, формируются дискриминаторами 8 (фиг.З). При прохождении через охранные детекторы 2 и 5 заряженной частицы импульс, возникающий на вькоде фотоэлектрических преобразователей охранных детекторов 2 и 5, формируется дискриминатором 9 и далее поступает на входы запрета блоков 10 антисовпадений . Таким образом, спектрометр принципиально регистрирует только нейтральные частицы, что уменьшает фон. Импульсы с выходов блоков 10 антисовпадений, возникшие при попадании гамма-квантов в детекторе 1, поступают на входы мажоритарного блока 11 совпадений, имеющего кратность совпадений, равную, например, пяти. Это означает, что при поступлении импульсов на любые пять его входов из. семи имеющихся блок 1 1 совпадений на выходе дает импульс, который далее поступает на регистрирующий блок. Если установить время разрешения мажоритарного блока 11 совпадений равным, например 10 с, то гамма-кванты, попавшие в пределах Э.ТОГО времени в любые пять детекторов из семи, будут зарегистрированы. Таким образом, можно регистрировать всплески гамма-излучения, сравнимые по длительности с временем высвечивания сцинтиллятора ( 10 с). Импульсы с выходов блоков 10 антисовпадений поступают также на входы элемента ИЛИ 12 и на счетные входы счетчиков 19 импульсов. Выход элемента ИЛИ 12 соединен с входами временного анализатора 15 и всплесковой ячейки 16, которая при наличии статистически значимого возрастания интенсивности гамма-квантов через триггер 18 запускает счётчики 19 импульсов. При переполнении одного из счет- .чиков 19 импульсов все счетчики импульсов останавливаются, так как выходы переполнения счетчиков 19 через элемент ИЛИ 14 соединены со входом сброса триггера 18. Таким образом, с выходов счетчиков 19 на регистрирующий блок записьвается информация о количестве гамма-квашпв , попавших на каждый из семи кристаллов 1 .

Используя формулу (3), можно определить направление П11ихода плоского фронта гамма-излучения (данная формула записана для зенитного угла, аналогично можно получить формулу и для азимутального угла),

Импульсы с выходов блоков 10 антисовпадений, ОТНОСЯ1ЧИХСЯ к периферийным детекторам 1 - 1 , и дискрими натора 9, относящегося к охранным детекторам 2 и 5, через элемент ИЛИ 1 поступают на вход запрета амплитудного анализатора 17, Импульсы с выхода фотоэлектрического преобразова- теля 8 , связанного с центральным кристаллом 1, поступают на информационный вход амплитудного анализатора 17, который осуществляет преобразование амплитуды этих импульс;ов в цифровой код. Информация с выхода амплитудного анализатора 17 поступает на регистрирующий блок. Использование периферийных детекторов 1 - ,в

1 в качестве заггитных антисовпадений для центрального детектора 1 улучшает спектрометрические харак

теристики центрального детектора 1 , так как улучшается энергетическое разрешение посредством запрета событий, в которых часть энергии гамма кванта передается в периферийные детекторы l - 1, а также уменьшается фон бокового гамма-излучения, /1ля случая (6-2 -5) призм, где п - натуральное число, вместо центрального детектора 1 используются просуммированные на линейном сумматоре сигналы с выходов фотоэл ектрических преобразователей, просматривающих (3-2- 5 ) центральных детекторов 1, вместо

лл

периферийных кристаллов 1 - 1 используются 3-2 периферийных детекторов.

Использование изобретения обеспечивает повышение чувствительности спектрометра за счет увеличения активной площади для регистрации гамма излучения путем нара1 Ц1вания количества детекторов, выполненных в виде шестигранных .призм из неорганическог сцинтиллятора. Достижимая чувствительность измерений равна 3-10

эрг/см (для вспле(б-.- 5) S - -

сков с длительностью t), где S - площадь торцовой поверхности одного детектора, см ; t - длительность

5

0

5

0

5

0

5

0

5

всплеска, с; п - натуральное число. Раздельная обработка сигналов от оптически несопряженных детекторов позволяет выделять всплески гамма-излучения, сравнимые по длительности с временем высвечивания сцинтиллятора, Плотная упаковка оптически не сопряженных детекторов позволяет определять направление прихода плоского фронта гамма-излучения за счет взаимного экранирования детекторов, при этом исключается необходимость применения пассивного экранируюп|его вещества для получения анизотропной угловой чувствительности.

Кроме того, использование изобретения позволяет обеспечить компактность и технологичность конструкции.

Формула изобретения

Сцинтилляционный спектрометр гамма-излучения, содержащий блок детектирования, состоящий из выполненных в виде кристаллов из неорганического сцинтиллятора m детекторов гамма-излучения и двух охранных детекторов с соответствующим числом находяпц1хся с ними.в оптическом контакте фотоэлектронных преобразователей, га блоков антисовпадений, первый т-входовый элемент ИЛИ, временной анализатор, всплесковую ячейку, триггер, счетчик импульсов, амплитудный анализатор, регистрирующий блок и т+1 дискриминаторов, га из которых подключены входами к выходам соответствуюощх фотоэлектронных преобразователей детекторов гамма-излучения и выходами к информативным входам соответствующих блоков антисовпадений и (т+1)-й из которых подсоединен входом к выходам охранных детекторов, выходы блоков антисовпадений соединены с соответствующими входами первого т-входового элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу всплесковой ячейки и через временной анализатор к первому входу регистрирующего блока, соединенного вторым входом с выходом амплитудного анализатора, о т- личающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет увеличений активной поверхности для регистрации гамма-излучения и уменьшения фонового излучения, в него введены второй и третий т-входовые

элементы ИЛИ, m-1 счетчиков импул - сон и т-вхоловый мажоритарный блок совпадений, а т(Ь-2 -5) детекторов гамма-излучения (п - натуральное число) выполнены в виде плотно соприкасающихся гранями иести1 ра1П1ых призм, закрепленных в едином светозащитном корпусе, мажоритарный блок совпадений подключен выходом к тре- тьему входу регистрирующего блока и входами к выходам соответствуюгцих блоков антисовпадений и счетным входам соответствующих счетчиков импульсов, которые подключены выходами к четвертой группе входов регистрирующего блока, входами обнуления - к выходу триггера, а выходами переполнения - к соответствующим входам второго т-пходового элемента ИЛИ, соединенного выходом с входом сброса триггера, информационный вход которого подсоехи1нен к выходу всплеско- Бой ячейки, фотоэлектронный преобразователь центрального детектора гамма-излучения подключен к информационному входу амплитудного анализатора, вход запрета которого соединен с выходом третьего т-входового элемента ИЛИ, подсоединенного первыми (т-1)-входами к выходам блоков антисовпадений, соответствующих периферийным детекторам гамма-излучения, и т-м входом к выходу (m-i l)-ro дискриминатора ,

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к спектрометрии радиа1Ц1онного излучения, и может быть использовано для исследования всплесков гамма-излучения в космическом пространстве. Цель изобретения - повьипение чувствительности за счет увеличения активной поверхности для регистрации гамма-излучения и уменьшения фона гамма-излучения. В устройство, содержащее блок детектирования, состоящий из выполненных в виде кристаллов из неорганического сцинтиллятора m детекторов гамма-излучения и двух охранных детекторов с соответствующим числом находящихся с ними в оптическом контакте фотоэлектрических преобразователей, п блоков антисовпадений, первый п-вхо- довый элемент ИЛИ, временной анализатор, всплесковую ячейку, триггер, счетчик импульсов, амплитудный анализатор, регистрирующий блок и т+1 дискриминаторов, введены второй и третий га-входовые элементы ЯПИ, т-1 счетчиков импульсов и т-входовьй мажоритарный блок совпадений, а п

N: Ч Л Л

х;

ч N ч п ч л

/5

Вт ехрамMIX of- -

текторов 2uS

Редактор А.Огар

Фие. 4

Составитель В.Костюхин

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Шароши