Способ улучшения спектрометрических свойств сцинтилляционного блока детектирования Советский патент 1993 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к регистрации и измерению параметров ядерного излучения, в частности к проблеме улучшения спектрометрических характеристик сцинтилляционных блоков детектирования (СБД). Способ может найти широкое применение при создании новых типов СБД, предназначенных для решения актуальных научных и практических задач, связанных с измерением параметров ионизирующего излучения, а также в массовом производстве сцин тилляционных детекторов и СБД. . СБД нашл1и широкое применение в гамма-гамма- и нейтрон-гамма-каротаже. При этом СБД используются для ре гистрации гамма-излучения, падающего на детектор по направлениям, близким к радиальным, .Диаметр детектора D раничен диаметром скважины. Поэтому чувствительность таких детекторов можно повышать только за счет увеличения длины Н. В этой связи особенно актуальной стала проблема улучшения спектрометрических свойств, в частности энергетического разрешения, СБД на основе длинных сцинтилляционных детекторов. Вклад таких детекторов в разрешение СБД в основном оп ределяется неоднородностью продольно го распределения световыхода. Известно, что энергетическое разрешение СБД определяется как собственным разрешением сцинтилляционного детектора Кл, так и разрешением фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) R. Обе эти величины зависят от оптических характеристик сцинтилляционного детектора. Величина Roj тем меньше, т.е. разрешение ФЭУ тем.лучше, чем выше световыход сцинтилляционного детектора, определяемый как С г, (1) где - сцинтилляционная эффективность;о -- коэффициент светособирания, показывающий, какая часть полного светового потока сцинтилляции попадает на фотокатод. Величина Rg в значительной мере определяется объемной неоднородностью световыхода детектора, т.е. флук туациями зеличин и о . Зависимость величины С от координат сцинтилляции приводит к тому, что даже при однород ном распределении сцинтилляционной эффективности сцинтилляции, вызванные в разных областях сцинтиллятора потоком моноэнергетического излучения, будут по разному облучать фотокатод и вызывать на выходе ФЭУ импульсы различной амплитуды. Это обуславливает вклад неоднородности све тособирания в энергетическое разрешение СБД. г, Для Получения хорошего энергетического разрешения необходимо создать определенные условия светособирания в сцинтилляционномдетекторе, чтобы компенсировать неоднородность световыхода, вызванную свойствами материалаИ геометрической формой сцинтиллятора. Известны способы обеспечения спектpo eтpичecкиx параметров СБД, основанные на выборе условий отражения света в сцинтилляционном детекторе. По условиям отражения света на поверхности сцинтилляторы принято делить на зеркальные и диффузные. Однако в реальных сцинтилляционных детекторах, как правило, имеет место смешанное отражение, например полированный сцинтиллятор окружают диффузной светоотражающей оболочкой. Обычно при изготовлении СБД на основе кристаллических сцинтилляторов, например NaJ (Т1) все поверхности сцинтиллятора, кроме выходной, матируют . Но и в этом случае отражение является не чисто диффузным (косинусным), а смешанным, так как всякий реальный матовый отражатель характеризуется эффективной зеркальностью (блеском). Благодаря этому эффекту спектрометрические свойства матированных сцинтилляторов с параметром ;:- 1 оказываются лучше по сравнению с рассчитанными в предположении чисто,дифФузного отражателя. Однако вклад зеркальной составляющей для матированных сцинти.пляторов практически невозможно проконтролировать, так как эффективная зеркальность является функцией угла падения света, т.е. зависит от координат сцинтилляции, и вносит свой вклад в неоднородность светособирания. Теоретический расчет оптимального состояния поверхностей сцинтиллятора для обеспечения хорошего разрешения СДБ сильно усложняется действием факторов, связанных со свойствами вещества сцинтиллятора (распределение активатора, дефекты структуры, примеси и пр.). Разброс свойств крис- , таллов, связанный с несовершенствами технологии их получения, настолько, велик, что.-результаты расчета оказываются практически неприменимыми к каждому образцу в отдельности. Это потребовало разработки способов выравнивания продольного распределения световыхода в сцинтилляционном детек торе как стадии технологического про цесса производства СБД. I Известен способ улучшения спектро метрических свойств СБД, согласно ко торому компенсации продольной неодно родности световыхода достигают за счет уменьшения светособирания из об ласти с повышенным световыходом, изменяя условия отражения света боковой поверхностью сцинтиллятора. Для этого выбранный участок по- , верхности кристалла покрывают материалом с показателем преломления око ло 1,5. При этом увеличивается крити ческий угол полного внутреннего отра жения в кристалле (показатели прелом ления для кристаллов NaJ (Т1) и CsJ (Na) равны соответственно 1,85 и 1,79) и, следовательно, увеличивается доля светового потокаj выходящего из кристалла через данный участок бо ковой поверхности. Предлагается также наносить покрытия с различными по казателями преломления и многослойные покрытия, регулируя тем самым степень воздействия на тот или иной участок сцинтиллятора. В частности, в качестве материала покрытия исполь зуют эпоксидную смолу. Недостатком этого способа является неизбежное снижение среднего световыхода. сцинтилляционного детектора Наиболее близким к предложенному является способ улучшения Спектромет рических свойств СБД, включающий выбор направления выхода света на фото приемник и изменение условий отражения света путем матирования и полиро вания боковой поверхности сцинтиллятора. Кольцевые участки боковой поверхности сцинтиллятора в области с повышенным световыходом полируют, а в области с более низким световыходом матируют. Известно, что характеристики сцинтилляторов с большим отношением n/D могут изменяться при изменении положения сцинтиллятора отно,сительно ФЭУ на противоположное. Поэтому с самого начала выбирается то положение сцинтиллятора,, при котором СБД имеет наиболее высокие характеристики (световыход и разрешение) . Кроме того, участки сцинтиллятора. 9 . 6 где световыход высок, оснащают менее эфс)ективным наружным отражателем. Применяют также смеси различных материалов отражателя, осуществляя таким образом постепенное изменение коэффициента отражения вдоль оси сцинтиллятора. Ясно, что поскольку максимально эффективным отражателем можно снабдить в принципе любой участок сцинтиллятора, сущность способа заключается в подавлении светового сигнала из областей с высоким световыходом до уровня областей с низким световыходом. Это приводит к неизбежному снижению среднего световыхода, что является.существенным недостатком описанного способа. Кроме того, покрытие хрупкого сцинтилляционного кристалла, например NaJ (Tl), твердым материалом ухудшает эксплуатационные качества конструкции СБД, ограничивая его применение в условиях воздействия механических и климатических нагрузок. Следовательно, при таком способе осуществляется принцип: продольному распределению световыхода сцинтиллятора противопоставляется искусственно созданное распределение эффективности отражения и поглощения света боковой поверхностью сцинтиллятора и оболочкой. При подавлении световыхода определенной области кристалла (с целью улучшения его однородности) возникает проблема соотношения локального и общего воздействия. Действительно, при ухудшении отражения света на участке боковой поверхности прозрачного сцинтяллятора в определенной мере уменьшается сзетособирание и из других областей. Чем больше общее воздействие по сравнению с локальными, тем слабее проявляется эффект выравнивания световыхода и тем больше уменьшается средний световыход детектора. В любом случае побочным эффектом применения таких способов оказывается уменьшение среднего световыхода . детектора, что приводит к ухудшению разрешения ФЭУ и, следовательно, общего разрешения СБД. .Поэтому описанный способ может успешно применяться для не очень длинных сцинтилляторов, в которых продольная неоднородность саетовыхода тносительно невелика. 1 Значительно развившаяся за послед нее время технология получения и обработки кристаллов позволяет изготавливать кристаллические сцинтилляторы в широком диапазоне геометричес ких форм и размеров, в том числе и сцинтилляторЪ с большим отношением H/D, обладающие высокой чувствительностью регистрации радиально палающе го гамма-излучения на единицу площади сечения. Однако свойственная таким сцинтил ляторам значительная продольная неод нородность световыхода и ограниченность известных способов ее устранения приводит к тому, что приборы на основе таких сцинтилляторов имеют плохие спектрометрические характерис тики. Разброс световыхода в таких сцинтилляторах сравним с его средним значением. В этих случаях известные способы компенсации продольной неоднородности световыхода оказываются мало эффективными, поскольку эффект снижения световыхода превышает эффек его выравнивания. Цель изобретения - улучшение энер гетического разрешения СБД путем выравнивания продольного распределения световыхода без подавления световыхода отдельных областей сцинтиллятора Это достигается тем, что при осуществлении известного способа улучше ния спектрометрических свойств СБД, включающего выбор направления выхода света на фотоприемник и изменение ус ловий отражения света путем матирова ния и полирования боковой поверхности сцинтиллятора, регулируют величину продольного перепада световыхода путем чередования на боковой поверхности сцинтиллятора продольных матированных и полированных полос и изме няют в интервале от О до 1 долю S/S матированной или S/R полированной по верхности к полной площади боковой поверхности S,, при этом контролируют величину продольного световыхода СЗ - С - и оптимальным считают такое отношение S/S, при котором из/ С9 - eg ч меренная величина принимает минимальное значение, где S - площадь матированной или по. лированной части боковой поверхности ; 98 Sp - площадь боковой поверхности; . Сд - световыход при возбуждении удаленной от фотоприемника области сцинтиллятора; Cry световыход при возбуждении близкой к фотоприемнику области сцинтиллятора; С - среднее значение световыхода, Предпочтительное направление выхода света на фотоприемник определяют из условия () С9 - С где I и II - соответственно выбранное и противоположное направления выхода света на фотоприемник со стороны торцов. На боковой поверхности сцинтиллятора равномерно распределяют матированные и полированные участки. Эти участки представляют собой продольные полосы, направленные от одного торца сцинтиллятора к другому. Изменяя соотношение площадей матированных и полированных участков, регулируют соотношение зеркальной и диффузной компонент отражения и света боковой поверхностью сцинтиллятора и таким образом управляют продольным перепадом световыхода, сводя его к минимуму. Эффект предлагаемого способа состоит в том, что отношение зеркальной и диффузионной компонент отражения, Которое невозможно измерить непосредственно, заменяется пропорциональной ему величиной - отношением площадей полированной и матированной частей боковой поверхности, которое можно плавно изменять. Для сохранения азимутальной однородности полосы располагают симметрично относительно продольной оси сцинтиллятора. При этом ширина полос матирования должна быть достаточно большой по сравнению с размером шероховатостей поверхности. Продольный перепад свет овыхода контролируют путем измерения величины (С9 - Cs-)/C. Оптимальным нужно считать такое соотношение площадей полированных и матированных участков, при котором СЗ - С , принимает минивеличинаI С мальное значение. Алгебраическая величина (Сд -Cg)/ /С принимает максимальное значение при Sy,/So 1 и минимальное при Sn/S, О,где S - суммарная площадь полирова ных полос; Q - площадь боковой поверхност сцинтиллятора. сцинтилляторов, у которых .Sn/So С са - csr . о оптимальное значение лежит внутри интервала (0,1). В противном случае оптимальным считают значение т.е. боковую поверхность сцинтиллято ра полностью матируют либо полиостью полируют. Предлагаемый способ включает также использование факторов, связанных с веществом сцинтиллятора. Действие этих факторов проявляется в том, что при изменении положения сцинтиллятора относительно фотоприемника (направления выхода света) на противопо ложное изменяется величина (Сд-С)/ /С. Для сцинтиллятора с --- 1 предложен следующий критерий выбора поло жения относительно фотоприемника. Пусть I и. II - соответственно два взаимно противоположных положения сцинтиллятора относительно фотоприем ника. Предпочтение ртдается положению I, если выполняется условие (.с.:.с) ., (.С9..) с с Таким образом, предлагается новый критерий выбора направления выхода света на фотоприемник - алгебраическая величина продольного перепада световыхода. При этом первоначально измеренное энергетическое разрешение в выбранном положении может быть хуже, чем в противопоставленном, так как сначала выбирают положение сцинтиллятора, а затем уже выравнивают световыход. Однако для сцинтилляторов с описанный способ выравнивания продольного распределения световыхода тем эффективнее, чем выше первоначальная алгебраическая величина (С 9 - Cg)/C. Поэтому при выборе направления выхода света по предлагаемому критерию, описанный способ обеспечивает максимальное улучшение спектрометрических характеристик. Преимуществом предлагаемого способа является возможность регулирования продольного перепада световыхода в широких пределах, обусловленная большим диапазоном изменения величины S/S. Существенным отличием предлагаемого способа является .сохранение однородного состояния поверхности сцинтиллятора в направлении, в котором производится выравнивание распределения световыхода. Другим существенным отличием предлагаемого способа является то, что при выравнивании распределения световыхода не прибегают к подавлению световыхода отдельных областей сцинтиллятора, благодаря чему обеспечивается световыход, близкий к максимально возможному. Это обеспечивает улучшение энергетического разрешения прибора . Предлагаемый способ применен для сцинтилляционных кристаллов NaJ (Т1) и CsJ (Na) цилиндрической формы с различными отношениями высоты к диаметру. На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способаJ на фиг. 2, 3, - графики зависимости световыхода от расстояния между зоной возбуждения и фотоприемником. Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Полированный или матированный кристалл 1 устанавливают на ФЭУ 2 при выходе света из основания а и производят измерение продольного распределения световыхода C(Z) при облучении сцинтиллятора перпендикулярно его си узким пучком гамма-излучения, где Z - координата облучаемой зоны, изменяющаяся от Z О до Z Н. Выбор полированной или матированной поверхности кристалла для первоначальных г измерений закономерно определяется величиной отношения H/D, хотя бывают сключения. Чем больше H/D, тем предпочтительнее полирование. Аналогично проводится измерение продольного рас пределения световыхода C(Z) при выхо де света из основания б. Если изме ряется полированный кристалл, то выбирается основание, обеспечивающее возрастающий ход зависимости C(Z). Затем путем симметричного нанесения на кристалл матированных полос и измерения продольного перепада (Cg-Cg) /С сводят его к минимальному значению, изменяя величину площади матиро ванных полос 3 (см. фиг. 1). Если из меряется матированный кристалл, что выбирается основание, обеспечивающее минимальное убывание зависимости C(Z), а затем аналогично на кристалл наносятся полированные полосы и изме ряется продольный перепад (Cg-Cg)/C, который сводят к минимальному значению, увеличивая площадь полированных полос 1 (см. йиг. 1) , I Пример 1, Берут кристалл CsJ (Na) диаметром 30 мм и высотой 250 мм, зависимость C(Z) для этого образца с матированной и полированной боковой поверхностью показана на фиг. 2 - соответственно кривые I и II (кривая III по известному способу) . Из этих кривых видно, что дейст вительно при больших H/D (в данном случае более 8) целесообразно полирование всей боковой поверхности при первоначальных измерениях, так как для вьфавиивэния продольного перепада требуется очень малая площадь матированных полос (7%, 4 матированных полосы шириной А мм) - кривая IV на фиг. 2. При этом достигается прак тически равномерное распределение световыхода при его среднем значении, близком к максимальному. В результате применения предлагаемого способа достигается разрешение СБД, равное 13. При применении известного способа обеспечивается разрешение равное 17,0. Кривая C(Z) для полученного детектора представлена На фиг. 2 (кривая III). Пример 2. Берут кристалл CsJ (Na) диаметром 35 мм и высотой 250 мм. Измерения всей полированной боковой поверхности при выходе света из различных оснований показывают различные зависимости C(Z) - кривые I и III (см. фиг. 3). В соответствии с изобретением выбирают положение, при котором C(Z) возрастает (кривая .12 Ш) . Затем на боковую поверхность кристалла наносят продольные матированные полосы и, изменяя их площадь, контролируют величину (Cg-Cg)/C. При матировании 22 площади боковой поСя - Ск верхности величина (-- ) не превышает ошибки измерения (см. кривая II на фиг; 3). При этом обеспечивается разрешение, равной 11,9. Пример 3. Берут два кристалла NaJ (Т1) Размером мм - образец 1 и размером мм - образец 2. Применяют предлагаемый способ (см. фиг. ). Распределение C(Z) для образца 1 остается несколько убывающим даже при полировании всей боковой поверхности (площадь матированных полос равна О, см. фиг. k, кривая I). Это связано с индивидуальными свойствами образца 1. Однако и в этом случае применение предлагаемого способа позволяет получать практически равномерное распределение световыхода и в результате хорошее разрешение (9,1%). Применение предлагаемого способа к образцу 2 показало, что оптимальные условия светособирания достигаются при матировании 90 боковой поверхности (кривая III на фиг. ), хотя высота его больше, чем образца 1 и из теоретических соображений оптимальная зеркальность его боковой поверхности должна быть больше. Образец 2 имеет особенности, противоположные образцу 1, но и в этом случае применение предлагаемого способа позволило обеспечить высокую равномерность световыхода и хорошее разрешение (9,2). Из данных примеров видно, что применение предлагаемого способа к различным реальным кристаллам с высотой в несколько раз большей диаметра () практически позволяет свести к нулю неравномерность световыхода по высоте и в результате обеспечить для таких сцинтилляторов разрешение, характерное для кристаллов с н D (9-13). Следовательно, улучшение разреше- , ния сцинтилляторов с большим отношением H/D до позволит значительно увеличить чувствительность спектрометров и эффективность использования объема сцинтиллятора при малых диаметрах сцинтилляционных детекто13ров, что в некоторых случаях, например при радиоактивном каротаже скважин, имеет решающее значение и обеспечивает значительный экономический эффект (1-1,5 млн,руб. в год на од71 909ной скважине). Кроме того, такие СБД находят широкое применение при решеiнии самых различных радиометрических ; f задач.

25 2,СН

I

.

too.