Сцинтилляционный детектор

 

Изобретение относится к устройствам для регистрации ионизирующих излучений, точнее, к сцинтилляционным детекторам. Целью изобретения является увеличение световыхода сцинтилляционного детектора. Цель достигается выполнением сцинтилляционного кристалла с прилегающей к фотоприемнику частью сцинтиллятора в форме усеченного конуса, выполненной, как из материала самого кристалла, так и из несцинтиллирующего прозрачного к сцинтилляционному излучению материала в виде втулки, присоединенной к кристаллу иммерсионной средой. Большее основание сцинтиллятора направлено к фотоприемнику, а угол раствора усеченного конуса φ лежит в пределах 90°-α_к< φ <45°+α_к/2 , где α_к - критический угол полного внутреннего отражения. Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение световыхода сцинтиллятора на 10 - 12% при незначительном увеличении его объема за счет дополнения конической частью (до 0,3% объема конической части от общего объема сцинтиллятора), а также позволяет использовать серийно выпускаемые сцинтилляторы без существенных изменений их конструкций. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. , 2 табл.

Изобретение относится к области сцинтилляционной техники и может найти применение при конструировании и производстве сцинтилляционных детекторов и блоков детектирования ионизирующих излучений. Цель изобретения - увеличение светового выхода сцинтилляционного детектора. Отличием предлагаемого решения от известного является выполнение прилегающей к фотоприемнику части сцинтиллятора в форме усеченного конуса большим основанием на фотоприемнике, угол раствора которого удовлетворяет условию 90^о - α_к < ϕ < 45^о - α_к /2, (1) где α_к - критический угол полного внутреннего отражения на границе сцинтиллятор-фотоприемник. Коническая часть сцинтиллятора может быть выполнена также в виде втулки из прозрачного к сцинтилляционному излучению материала с таким же показателем преломления, что и у сцинтиллятора, и соединенной с ним иммерсией. На фиг. 1 приведена схема прохождения световых лучей в конической части сцинтиллятора, выполненной из сцинтиллирующего материала; на фиг. 2 - то же, из несцинтиллирующего материала; на фиг. 3 - прохождение лучей для обоснования предельных значений угла ϕ ; на фиг. 4 - детектор, общий вид. Положительный эффект достигается благодаря тому, что лучи, отраженные от выходного основания внутрь сцинтиллятора в результате полного внутреннего отражения, попадают на коническую поверхностью сцинтиллятора и, отразившись от нее, возвращаются на выходное основание под углом, меньшим α_к . Коническая часть сцинтилляционного детектора может быть выполнена из сцинтиллирующего и несцинтиллирующего материала. Луч, отраженный в результате полного внутреннего отражения (под углом α_к < α < 90^о) от основания сцинтиллятора, попадает на боковую поверхность в некоторой точке. Максимальное расстояние от этой точки до основания соответствует отрезку ВЕ на фиг. 1, 2. Если коническая часть выполнена из сцинтиллирующего материала (см. фиг. 1), то ВЕ = АЕ ctg α_к = (АС - ЕС)ctg α_к , АС = D ЕС = (D-d)/2 Отсюда ВЕ = [D -(D-d)/2 ] ctgα_к = [(D+d)/2] ctgα_к Если коническая часть выполнена из несцинтиллирующего материала (см. фиг. 2), то ВЕ = АЕctg α_к = dctg α_к . Поскольку d < D, то d < (D+d)/2 . Следовательно, и в том, и в другом случае выполняется формула Н ≅ [(D+d)/2] ctgα_к . (2) Аналогичным образом находятся граничные значения угла раствора конуса ϕ . Из фиг. 1 и 2 видно, что луч отразится от точки В не влево, а только вправо и попадает на основание под углом α < α_к, если <ABC> 90^о. Отсюда вытекает первое граничное условие: < АВС = α_к + ϕ > 90^оили ϕ > 90^о - α_к . Для получения второго граничного условия: Из фиг. 3 видно, что
α + (90^о - ϕ) = ϕ . Отсюда получаем второе граничное условие
ϕ < 45^о + α_к /2 (так как α должно быть < α_к ). Граничные условия для угла 90^о - α_к < < ϕ< 45^о + α_к /2 соответствуют крайним значениям возможных углов отражения света от основания сцинтиллятора α_к < α < 90^о. Таким образом, приведенное в формуле изобретения условие для угла раствора конуса охватывает все возможные отражения лучей от любой точки основания под углами, большими α_к . Из формулы (1) вытекает условие, налагаемое на показатели преломления иммерсионной среды n₂ и материала сцинтиллятора n₁n₂/n₁ > 1/2 . При оптическом соединении сцинтиллятора с фотоприемником с помощью известных иммерсий, имеющих показатель преломления n₂ в пределах 1,4-1,5, это условие требует, чтобы показатель преломления был n₁ < 2,8, что выполняется для всех известных сцинтилляторов. Для наиболее широко используемых сцинтилляционных материалов, таких как NaI(Tl) (n₁ = 1,85); CsI(Te) (n₁ = 1,79); CsI(Na) (n₁ = 1,84) YiI(Eu) (n₁ = 1,96), CaF₂(Eu) (n₁ = = 1,44), антрацен (n₁ = 1,62), стильбен (n₁ = = 1,63), полистирол (n₁ = 1,62), условие n₂/n₁> 1/2 - соблюдается и при отсутствии иммерсии. Конструктивное выполнение конической части сцинтиллятора в виде втулки позволяет использовать предлагаемое решение в промышленно выпускаемых корпусах детекторов без существенного изменения их размеров и внешних конфигураций. В этом случае коническая часть сцинтиллятора помещается в зазор между боковой поверхностью сцинтиллятора и корпусом и играет роль световода. При этом максимальный положительный эффект достигается в случае равенства показателей преломления вещества сцинтиллятора и втулки. Проще всего достичь этого, выполняя сцинтиллятор и втулку из одного и того же материала. Оптическое сочленение сцинтиллятора с втулкой осуществляется по боковой поверхности с помощью известных иммерсий: вазелинового масла, силиконового клея, каучука, СКТН и др. В предлагаемом техническом решении применение конической втулки, сохраняя непосредственный контакт сцинтиллятора с фотоприемником, позволяет вывести из сцинтиллятора на фотоприемник дополнительную часть светового потока за счет описанного выше механизма. Сцинтилляционный детектор (см. фиг. 4) содержит сцинтиллятор 1, оптически сочлененный с фотоприемником 2. В качестве последнего может использоваться фотоэлектронный умножитель. Ближняя к фотоприемнику часть 3 сцинтиллятора имеет форму усеченного конуса, который своим большим основанием оптически сочленен с фотоприемником 2. Детектор имеет корпус 4. Между стенками корпуса и сцинтиллятором помещается отражатель 5. П р и м е р 1. Предлагаемая конструкция была проверена на сцинтилляционных детекторах на основе монокристаллов CsI(Na) диаметром 40-60 мм и высотой 100 мм. Для определения эффективности предлагаемого решения сначала измеряли световой выход детектора с цилиндрическим сцинтиллятором размером 60 х 100 мм, а затем протачивали сцинтиллятор, оставляя коническую часть различной высоты. Угол раствора конуса был выбран 45^о, что для монокристалла CsI с показателем преломления 1,78, связанного с фотоприемником иммерсией с показателем преломления 1,5, соответствует условию (1). В табл. 1 приведены результаты измерений светового выхода для указанных сцинтилляторов как без конической части, так и с конической частью различной высоты. Из таблицы видно, что положительный эффект (увеличение светового выхода на 12% ) достигается при сравнительно малых размерах конической части сцинтиллятора (0,1 диаметра и 0,01-0,06% от объема сцинтиллятора). Увеличение конической части сцинтиллятора нецелесообразно, так как дальнейшего увеличения светового выхода не дает. П р и м е р 2. К сцинтиллятору из монокристалла CsI(Na) диаметром 54 мм и высотой 85 мм были изготовлены конические части из такого же материала различной высоты и с различными углами раствора. Результаты измерения светового выхода одного и того же сцинтиллятора с различными коническими втулками, приведенные в табл. 2, показывают, что применение конических втулок в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет повысить световой выход детектора на 11% . При этом достаточная высота конической втулки составляет 0,17 диаметра сцинтиллятора, а объем втулок в данном случае составляет 0,06-0,3% от общего объема сцинтиллятора. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение светового выхода детектора на 10-12% при незначительном изменении формы и объема сцинтиллятора за счет конической части. Простое изготовление и присоединение втулок к сцинтиллятору позволяет использовать серийно выпускаемые сцинтилляционные детекторы без существенных изменений их конструкции. (56) Авторское свидетельство СССР N 401233, кл. G 01 T 1/204, 1971. Патент США N 3930160, кл. G 01 T 1/20, 1974.

Формула изобретения

1. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР , содеpжащий сцинтиллятоp, оптически сочлененный с фотопpиемником, отличающийся тем, что, с целью увеличения светового выхода, ближняя к фотопpиемнику часть сцинтиллятоpа имеет фоpму усеченного конуса, большее основание котоpого напpавлено к фотопpиемнику, а угол pаствоpа конуса находится в пpеделах
90°-α_k<φ<45°+ ,
где α_к - критический угол полного внутреннего отражения. 2. Детектоp по п. 1, отличающийся тем, что коническая часть сцинтиллятоpа выполнена в виде втулки из пpозpачного к сцинтилляционному излучению матеpиала с показателем пpеломления, соответствующим показателю пpеломления сцинтиллятоpа, и оптически сочленена с ним по боковой повеpхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---