Координатно-чувствительный детектор элементарных частиц

 

Использование: регистрация ионизирующих излучений. Сущность изобретения: координатно-чувствительный детектор элементарных частиц содержит пространственно распределенные сцинтилляционные координатные элементы, соединенные с электронно-оптическими преобразователями, и систему обработки сигнала, содержащую блок управления, два предусилителя, две системы считывания изображения, соединенные с электронно-оптическими преобразователями. Анод каждого электронно-оптического преобразователя соединен через соответствующий предусилитель с блоком управления, соединенным с системами считывания изображения. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к приборам для регистрации ионизирующих излучений, а более конкретно касается координатно-чувствительного детектора элементарных частиц.

Данное изобретение может быть использовано в физических измерениях, в которых кроме энергии регистрируемых частиц необходима еще и информация об их направлении движения, может быть использовано в качестве многоканальной координатно-чувствительной системы, содержащей большое количество независимых и произвольно расположенных сцинтилляционных элементов, соединенных через разветвленный волоконно-оптический кабель с электронно-оптическими преобразователями, а также может быть использовано в качестве высокосекционированных низкофоновых детекторов, используемых в нейтринной физике.

Известны многочисленные разновидности координатно-чувствительных сцинтилляционных детекторов, которые конструктивно объединяет то, что либо один сцинтиллятор специальной формы, либо набор одинаковых сцинтилляторов соединены с набором фотоприемников, выполненных как правило в виде фотоэлектронных умножителей, которые соединены с электронной системой обработки.

Известен сцинтилляционный позиционно-чувствительный детектор [1] содержащий протяженный сцинтилляционный кристалл специальной формы, матрицу фотоэлектронных умножителей, расположенных в ряд вдоль длины кристалла, выходы которых соединены с системой обработки сигналов. Работает данный детектор следующим образом. Ионизирующее излучение взаимодействует с веществом сцинтиллятора и создает световые вспышки, которые регистрируются одним или несколькими фотоэлектронными умножителями. Сигналы с их анодов поступают в систему обработки, которые определяет интенсивность (энергию) и местоположение световой вспышки.

Этот детектор обладает невысоким пространственным разрешением от 5 до 10 мл. Большое же количество фотоэлектронных умножителей делает детектор громоздким, энергоемким и сложным в эксплуатации.

Известен координатный детектор элементарных частиц [2] содержащий пространственно распределенные сцинтилляционные координатные элементы, соединенные через первый и второй оптические сумматоры соответственно с первым и вторым фотоприемниками, выполненными в виде фотоэлектронных умножителей. Координатные элементы выполнены в виде отрезков волоконно-оптического кабеля различной длины, чувствительная часть которых образована параллельно расположенными отрезками равной длины, концы которых подключены к первому сумматору. Оставшаяся часть кабеля свернута в катушки, образуя оптические линии задержки, и подключена к второму оптическому сумматору. Детектор имеет также систему обработки сигналов, выполненную в виде измерителя временных интервалов.

Работает этот детектор следующим образом.

Ионизирующее излучение взаимодействует с веществом сцинтиллятора и создает световую вспышку, свет от которой распространяется по волоконно-оптическому кабелю в обе стороны и регистрируется обеими фотоприемниками. Однако, из-за наличия, с одной стороны, сцинтиллятора оптической линии задержки сигналы на анодах фотоэлектронных умножителей возникают не одновременно. Причем для разных сцинтилляционных элементов задержка между этими сигналами разная. По величине этой задержки временная система обработки и определяет в каком именно сцинтилляционном элементе произошла световая вспышка.

Пространственное разрешение детектора определяется величиной сцинтилляционных элементов, которые не могут быть слишком малыми из-за уменьшения эффективности детектора и сложности изготовления и использования волоконно-оптических задержек малого диаметра. Кроме того, этот детектор требует применения довольно сложной наносекундной техники, поскольку оптическая задержка составляет всего 5 нс на метр кабеля. По этой же причине детектор громоздок, так как требуется большое количество волоконно-оптического кабеля для организации различных по величине линий задержки.

В основу изобретения положена задача создания координатного чувствительного детектора элементарных частиц с таким конструктивным его выполнением, которое позволило бы за счет введения фотоприемника, способного передавать изображение и управляемой системы считывания изображения создать компактный многофункциональный детектор простой в эксплуатации с повышенным пространственным разрешением.

Поставленная задача решается тем, что в координатно-чувствительном детекторе элементарных частиц, содержащем пространственно-распределенные сцинтилляционные координатные элементы, соединенные с фотоприемниками, систему обработки сигнала, согласно изобретению, каждый фотоприемник выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, а система обработки сигнала содержит блок управления, два предусилителя и две системы считывания изображения, каждая из которых соединена с соответствующим электронно-оптическим преобразователем, анод которого соединен через соответствующий предусилитель с блоком управления, выходы которого соединены с системами считывания изображения.

Координатные элементы могут быть выполнены в виде отдельных сцинтилляционных волокон волоконно-оптического кабеля.

Также координатные элементы могут быть выполнены в виде сцинтилляторов, соединенных разветвленным волоконно-оптическим кабелем с электронно-оптическими преобразователями.

Данное изобретение позволяет улучшить пространственное разрешение координатно-чувствительного детектора, так как оно определяется только диаметром волокна кабеля, который может быть собран из волокон диаметром до 100 мкм. Многофункциональность этой системы достигается за счет того, что, не затрагивая электроники, достаточно заменить чувствительные элементы детектора и программу обработки записываемого в ЭВМ изображения, чтобы перейти к другой экспериментальной задаче. Так, например, при использовании сцинтилляционного волоконно-оптического кабеля, волокна которого могут иметь различный, необходимый для конкретной задачи, диаметр и за счет своей гибкости могут быть собраны в различные пространственные конфигурации, можно получать координатно-чувствительные детекторы различных модификаций. При этом число чувствительных элементов (волокон) может быть достаточно велико, приблизительно до двухсот пятидесяти тысяч. Это делает детектор особенно подходящим для использования в экспериментах по регистрации редких процессов, таких, например, как рассеяния нейтрино на электроне. Это связано с тем, что столь высокое секционирование позволяет существенно понизить фон детектора, не прибегая при этом к сложнейшим многоканальным электронным системам, а только за счет соответствующей программной обработки записанных в ЭВМ событий.

Данный координатно-чувствительный детектор элементарных частиц позволяет просматривать большое число отдельных произвольно расположенных сцинтилляторов. Для этого достаточно применить обычный светопроводящий кабель один конец которого присоединен к электронно-оптическому преобразователю, а другой разветвлен и каждая ветвь присоединена к своему сцинтиллятору. Таким образом данный детектор прост в эксплуатации, компактен и надежен за счет значительного сокращения используемой электроники. Многоканальный координатно-чувствительный детектор удобен для использования, например, в томографии или других измерениях, требующих применения большого числа независимых сцинтилляционных каналов.

На фиг.1 изображена структурная схема координатно-чувствительного детектора элементарных частиц, согласно изобретению; на фиг. 2 структурная схема координатно-чувствительного детектора элементарных частиц с координатными элементами в виде сцинтилляторов, согласно изобретению.

Координатный детектор элементарных частиц содержит пространственно распределенные сцинтилляционные координатные элементы 1 (фиг. 1), соединенные с двумя фотоприемниками, каждый из которых выполнен в виде широко известного электронно-оптического преобразователя 2. Детектор содержит также систему обработки сигнала, имеющую блок 3 управления, два предусилителя 4 и две системы 5 считывания изображения. Каждая система 5 считывания соединена с соответствующим электронно-оптическим преобразователем 2 и с электронно-оптическим преобразователем 2 и с электронно-оптическим преобразователем 2 и с электронно-вычислительной машиной (электронно-вычислительная машина на фиг. 1 не показана). Анод каждого электронно-оптического преобразователя 2 соединен через соответствующий предусилитель 4 с блоком 3 управления. Выходы блока 3 управления соединены с системами 5 считывания изображения.

В данном примере координатные элементы 1 выполнены в виде отдельных сцинтилляционных волокон волоконно-оптического кабеля 6.

На фиг. 2 представлен координатно-чувствительный детектор элементарных частиц, структурная схема которого аналогична структурной схеме детектора, изображенного на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что в детекторе, изображенном на фиг. 2 координатно-чувствительные элементы 1 выполнены в виде сцинтилляторов, соединенных разветвленным волоконно-оптическим кабелем 7 с электронно-оптическими преобразователями 2.

Координатно-чувствительный детектор элементарных частиц работает следующим образом.

Ионизирующая частица при прохождении через сцинтиллятор вызывает световые вспышки в одном или нескольких волокнах волоконно-оптического кабеля 6 (фиг. 1). Свет распространяется по волокнам в обе стороны и регистрируется в соответствующих местах на фотокатодах электронно-оптических преобразователей 2. Возникающие при этом фотоэлектроны умножаются с помощью микроканальной пластины, входящей в состав преобразователя 2, и собираются также во вполне определенных местах на аноде преобразователя 2. При этом на люминесцентном экране преобразователя 2 возникают светящиеся точки, соответствующие по своему расположению светящимся волокнам кабеля 6, а на аноде преобразователя 2 образуется заряд, пропорциональный оставленной в сцинтилляторе энергии ионизирующей частицы. Сигналы с анодов преобразователей 2 через предусилители 4 поступают в блок 3 управления, где они проходят через схему совпадений, предназначенную для уменьшения влияния шумов преобразователей 2, и через заданный промежуток времени, определяющийся временем высвечивания люминофора экрана преобразователя 2, блок 3 управления разрешает системе 5 считывания изображения записать считанную информацию в электронно-вычислительную машину.

Система 5 считывания изображения основана на применение широко известной ПЗС-матрицы, которая за время высвечивания экрана преобразователя 2 накапливает в своих светочувствительных ячейках заряд пропорциональной яркости свечения соответствующей точки зкрана. РЗС-матрица может содержать до 512 х 512 таких ячеек Поскольку кабель 6 располагается таким образом, что свет от отдельного волокна собирается в одной ячейке ПЗС-матрицы, информация о событии (прошедшей через кабель 6 ионизирующей частице), записываемая в ЭВМ, содержит номера засвеченных ячеек ПЗС-матрицы, что соответствует определенным высветившимся волокнам кабеля 6, и величину заряда накопленного в ячейке, что соответствует энергии оставленной в волокне ионизирующей частицей. Обработка этой информации может быть произведена после окончания измерений на той же или другой ЭВМ. При этом очевидно, что для каждого события номера (координаты) волокон представляют собой трек прошедшей через кабель 6 частицы, а сумма их яркостей соответствует полной энергии, оставленной в кабеле 6 ионизирующей частицей. Можно отметить, что полная энергия может быть получена и при амплитудном анализе величины сигнала предусилителя 4, связанного с анодом электронно-оптического преобразователя 2.

Все это справедливо для случая, когда интервал между двумя зарегистрированными событиями не меньше времени высвечивания экрана преобразователя 2. Если это не так, то блок 3 управления выдает на систему 5 считывания сигнал, запрещающий запись такого события в ЭВМ и подготавливает ее к приему следующего события.

Координатно-чувствительный детектор элементарных частиц, изображенный на фиг. 2, работает аналогично детектору, изображенному на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что событию, произошедшему в одном из сцинтилляторов, отвечает не одна ячейка ПЗС-матрицы, как в первом случае, а группа ячеек, на которые собирается свет, приходящий по ветви разветвленного волоконно-оптического кабеля 7, присоединенной к данному сцинтиллятору.

Измененная соответствующим образом программа обработки записанных в ЭВМ событий позволяет определить в каких именно сцинтилляторах произошла одновременная регистрация ионизирующих частиц и отобрать необходимые для конкретного измерения случаи. Можно отметить, что в случае применения сцинтилляторов с достаточно высоким световыходом система может быть упрощена за счет применения только одного разветвленного волоконно-оптического кабеля 7 и, соответственно, одного электронно-оптического преобразователя 2.

Таким образом, данное изобретение позволяет создать координатно-чувствительный детектор элементарных частиц простой в эксплуатации, компактный, многофункциональный, с повышенным пространственным разрешением.

Формула изобретения

1. Координатно-чувствительный детектор элементарных частиц, содержащий пространственно распределенные сцинтилляционные координатные элементы, соединенные с фотоприемниками, систему обработки сигнала, отличающийся тем, что каждый фотоприемник выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, а система обработки сигнала содержит блок управления, два предусилителя и две системы считывания изображения, каждая из которых соединена с соответствующим электронно-оптическим преобразователем, анод которого соединен через соответствующий предусилитель с блоком управления, выходы которого соединены с системами считывания изображения.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что координатные элементы выполнены в виде отдельных сцинтилляционных волокон волоконно-оптического кабеля.

3.Детектор по п.1, отличающийся тем, что координатные элементы выполнены в виде сцинтилляторов, соединенных разветвленным волоконно-оптическим кабелем с электронно-оптическими преобразователями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2