Спектрометр двойного рассеяния

 

Использование: для измерения энергетического спектра и потока ионизирующего излучения и определения угловых координат источника ионизирующего излучения. Сущность изобретения: спектрометр содержит два сцинтиблока, каждый из которых состоит из одного сцинтиллятора и набора из не менее, чем 7 фотоприемников, оптически сопряженных с нижней плоскостью сцинтиллятора. Фотоприемники расположены таким образом, что они покрывают всю поверхность нижней плоскости сцинтиллятора и каждая сцинтилляция регистрируется одновременно сразу всеми фотоприемниками данного сцинтиблока. Сцинтиблоки расположены на расстоянии друг под другом в параллельных плоскостях. Выход каждого сцинтиблока соединен с входами блока электронных схем, информационные выходы которого соединены с входом регистрирующего устройства. При применении набора из не менее, чем семи фотоприемников для регистрации сцинтилляции спектрометр двойного рассеяния измеряет не только энергетический спектр частиц, но и определяет угловые координаты источника ионизирующего излучения, и, кроме того, улучшает энергетическое разрежение. 2 ил.

Изобретение относится к приборам измерения энергетического спектра и потока ионизирующего излучения и определения угловых координат источника ионизирующего излучения.

Известно, что для измерения спектра ионизирующего излучения, применяют спектрометры двойного рассеяния, в состав которых входят два сцинтиблока, состоящие из одного сцинтиллятора и одного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) [1] Взаимодействие ионизированной частицы с сцинтиллятором проявляется в виде радиолюминесценции (сцинтилляции), которая фиксируется с помощью ФЭУ. Измеряя время пролета рассеянной частиц между сцинтиблоками и интенсивность сцинтилляции в каждом из них, вычисляют энергетический спектр источника при определенном конструктивно заданном угле рассеяния и расстоянии между сцинтиблоками. Спектрометры данного типа эффективно работают только с коллимированным потоком частиц и в принципе не могут измерять угловые координаты источника излучения. Разделение частиц по типу, определение их энергии и плотности потоков, а также угловых координат источника ионизирующего излучения важно при проведении экспериментов в ядерной и атомной физике, при исследовании космоса, когда необходимо обеспечить высокое энергетическое и угловое разрешение при регистрации нейтронов и гамма-квантов.

Технической задачей изобретения является создание спектрометра двойного рассеяния для измерения угловых координат источника ионизирующего излучения с высоким угловым и энергетическим разрешением. Это достигается тем, что в отличие от известного спектрометра [1] в предлагаемом спектрометре двойного рассеяния каждый сцинтиблок состоит из одного сцинтиллятора и набора из N фотоприемников, оптически сопряженных с нижней плоскостью сцинтиллятора и расположенных так, что они покрывают всю поверхность нижней плоскости сцинтиллятора, и каждая сцинтилляция регистриpуется одновременно сразу всеми фотоприемниками данного сцинтиблока. При применении набора из N фотоприемников для регистрации сцинтилляции спектрометр двойного рассеяния измеряет не только энергетический спектр частиц, но и определяет угловые координаты источника ионизирующего излучения, и, кроме того, улучшает энергетическое разрешение.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого спектрометра двойного рассеяния; на фиг.2 конструктивная схема блока детекторов спектрометра двойного рассеяния.

Спектрометр двойного рассеяния содержит (фиг.1) два сцинтиллятора 1 и 2, каждый из которых оптически сопряжен с соответствующим набором 3 и 4 из N фотоприемников каждый. Выход каждого из N фотоприемников набора 3 и 4 соединен с входами соответствующих двух N-канальных сумматоров 5 и 6 и с линейным входом N аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 7 и 8, информационные выходы которых присоединены к шине данных 9 крейта КАМАК. Выход сумматоров 5 и 6 соединен с соответствующим входом формирователей со следящим порогом (ФСН) 10, 11 и с входом соответствующих АЦП 12, 13, информационные выходы которых присоединены к шине данных 9 крейта КАМАК. Выход ФСП 11 подключен к одному из входов схемы совпадений 14 и одному из входов схемы преобразователя время-амплитуда 15. Выход ФСП 10 через линию задержки 16 соединен со вторым входом схемы совпадения 14 и вторым входом преобразователя время-амплитуда 15. Выход схемы совпадения 14 подключен к входу разветвителя 17, выходы которого соединены с логическими входами всех АЦП 7, 8, 12, 13 и 18, информационные выходы которых присоединены к шине данных 9 крейта КАМАК. Выход преобразователя время-амплитуда 15 подключен к входу АЦП 18, информационный выход которого подсоединен к шине данных 9 крейта КАМАК. Шина данных 9 крейта КАМАК подключена к контроллеру 19 крейта КАМАК, который шиной данных присоединен к порту параллельного обмена ЭВМ 20.

Спектрометр двойного рассеяния конструктивно выполнен в виде блока детекторов 21, блока электронных схем 22, крейта КАМАК 23 и ЭВМ 20. Блок детекторов (фиг. 2) состоит из платформы 24 со стойкой 25, на которой закреплена направляющая 26. Направляющая 26 установлена с возможностью вращения в вертикальной плоскости. На направляющей 26 закреплены два сцинтиллятора 27, 28 с возможностью перемещения вдоль направляющей 26 для установления оптимального расстояния между ними и с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оси направляющей 26. Сцинтиблок 27 и аналогичный ему сцинтиблок 28 представляют собой металлический корпус 29 цилиндрической формы, внутри которого закреплен сцинтиллятор 1 цилиндрической формы. Набор 3 из N фотоприемников закреплен на панели 30, которая прикреплена к боковой поверхности корпуса 29. Каждый из N фотоприемников набора 3 прижат к сцинтиллятору 1 двумя пружинами 31. Аналогично каждый из N фотоприемников набора 4 прижат к сцинтиллятору 2 двумя пружинами 31. Корпус 29 снизу и сверху закрыт светонепроницаемыми кожухами 32, которые крепятся к корпусу 29. На боковой поверхности корпуса 29 установлены разъемы 33 для соединения выхода каждого из N фотоприемников набора 3 и 4 с помощью кабелей с входными разъемами блока электронных схем 22, который смонтирован на отдельной стойке. Информационные выходы блока электронных схем 22 присоединены к шине данных 9 крейта КАМАК 23. Контроллер 19 крейта КАМАК шиной данных присоединен к порту параллельного обмена ЭВМ 20.

Конструкция спектрометра позволяет устанавливать расстояние между сцинтиблоками от 0,5 до 1,5 м, изменять угол наклона сцинтиблоков относительно горизонтальной плоскости от 0 до 90 градусов, использовать жидкие и твердые сцинтиллятора и проводить индивидуальную проверку и настойку каждого блока, а также и общее тестирование работы всего спектрометра.

Спектрометр двойного рассеяния работает следующим образом (фиг.1).

Частица попадает в сцинтиллятор 1 и вызывает сцинтилляцию, которую фиксируют одновременно все N фотоприемников набора 3. Количество фотоприемников в наборе 3 и 4 для достижения оптимального углового разрешения составляет не менее 7 (N≥7). Для улучшения оптического контакта между фотоприемниками и сцинтилляторами использована оптическая смазка и пружины 31. Электрические сигналы с выхода каждого фотоприемника из набора 3 поступают на соответствующие входы АЦП 7, на входы линейного сумматора 5. Сигнал с выхода сумматора 5 поступает на вход АЦП 12 и на вход ФСП 10. С выхода ФСП 10 через линию задержки 16 сигнал поступает на вход схемы совпадений 14 и на стартовый вход преобразователя время-амплитуда 15. Время задержки на линии задержки 16 выбирают равным минимальному времени пролета частицы между сцинтилляторами 1 и 2. Схему совпадений 14 используют, чтобы отбросить фоновые сигналы от событий, когда частица рассеивается только в одном из сцинтилляторов. С выхода схемы совпадений 14 логический сигнал является стробирующим для всего блока электронных схем и поступает на разветвитель 17. С выходов разветвителя 17 управляющие логические сигналы поступает на входы управления АЦП 7, 8, 12, 13 и 18. После рассеяния в сцинтилляторе 1 частица, пролетов до сцинтиллятора 2, вызывает в нем сцинтилляцию, которую фиксируют фотоприемники набора 4. Далее сигналы с выходов фотоприемников набора 4 поступают на входы линейного сумматора 6 и АЦП 8, 13. С выхода сумматора 6 сигнал поступает на ФСП 11, с выхода которого сигнал поступает на второй вход схемы совпадения 14 и на стоповый вход преобразователя время-амплитуда 15. Аналоговый сигнал, пропорциональный времени пролета частицы между сцинтилляторами 1 и 2, с выхода преобразователя время-амплитуда 15 поступает на АЦП 18. Далее по протоколу КАМАК через контроллер 19 крейта КАМАК ЭВМ 20 считывает из ВЦП 12, 13 и 18 данные для вычисления энергии падающих частиц и плотности потока, а из АЦП 7, 8 для вычисления координат сцинтилляции в каждом из сцинтилляторов 1, 2 и, соответственно, расчета угловых координат источника ионизирующего излучения с помощью ЭВМ 20. ЭВМ 20 выдает значения плотности потока частиц и угловые координаты источника ионизирующего излучения, а также карту распределения плотности потока частиц заданной энергии в угловых координатах относительно оси спектрометра, которая перпендикулярна плоскостям основания обоих сцинтилляторов.

Предложенный спектрометр двойного рассеяния при выбранном расстояния между сцинтилляторами 1 и 2 в 1 м и использовании органического сцинтиллятора на основе метаксилола диаметром 400 мм и толщиной 50 мм и наборов 3 и 4 из 19-ти ФЭУ-143 каждый в качестве фотоприемников имеет следующие характеристики: одновременная регистрация нейтронов и гамма-квантов; энергетическое разрешение 15% угловое разрешение 0,1 рад; эффективность одного сцинтиблока 20% интервал регистрируемых энергий составляет 1-20 МэВ для нейтронов и 0,5-10 МэВ для гамма-квантов. При регистрации нейтронов достигается подавление фона гамма-квантов на три порядка. Угловое разрешение улучшается при использовании сцинтилляторов больших диаметров, в которых количество ФЭУ составляет несколько десятков.

Формула изобретения

Спектрометр двойного рассеяния, содержащий два сцинтиблока, расположенных на расстоянии друг под другом в параллельных плоскостях, выход каждого сцинтиблока соединен с входами блока электронных схем, информационные выходы которого соединены с входом регистрирующего устройства, отличающийся тем, что каждый сцинтиблок состоит из одного сцинтиллятора и набора из не менее семи фотоприемников, находящихся в оптическом контакте с нижней плоскостью сцинтиллятора и расположенных так, что они покрывают всю поверхность нижней плоскости сцинтиллятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2