Световолоконный сцинтилляционный детектор

Предложенное изобретение относится к сцинтилляционным детекторам гамма- и нейтронного излучения и может быть использовано для фундаментальных исследований в различных областях техники. Задачей изобретения является разработка световолоконного сцинтилляционного детектора, предназначенного для одновременной регистрации и обнаружения гамма- и нейтронного (быстрые и тепловые нейтроны) излучений, обеспечивающего повышенный плоский угол регистрации излучений: 2π или π. Световолоконный сцинтилляционный детектор содержит сборку сцинтилляционных волокон, предназначенных для регистрации гамма-излучения (волокон Bi₄Ge₃O₁₂), и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом, при этом сборка сцинтилляционных волокон дополнительно содержит волокна для регистрации тепловых нейтронов и волокна для регистрации быстрых нейтронов, помещена в единую оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, выполнена в виде сцинтилляционного кабеля и имеет форму кольца или арки, а фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников, расположенных в противоположных торцах сборки сцинтилляционных волокон. Волокна для регистрации быстрых нейтронов могут быть выполнены из водородсодержащего пластика, а волокна для регистрации тепловых нейтронов выполнены из ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного Се³⁺. Между фотоприемниками и сборкой сцинтилляционных волокон может быть дополнительно введен сместитель спектра. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к сцинтилляционным детекторам гамма- и нейтронного излучения и может быть использовано для фундаментальных исследований в области ядерной физики и физики высоких энергий; в дозиметрической практике в системах радиационного мониторинга трансграничных перемещений людей и грузов, мониторинга помещений аэропортов (проверка пассажиров, их багажа и других грузов), а в связи с глобализацией актов терроризма может быть использовано для мониторинга помещений общественных зданий (допуск в правительственные здания, спортивные комплексы, здания политических, юридических и военных ведомств, театры, филармонии, крупные национальные музеи); для радиационного контроля металлолома, поступающего на переплавку в металлургические предприятия; для радиационного контроля строительных материалов, строительных блоков и металлоконструкций; может быть использовано в интроскопах (томографах) медицинского и технического назначения.

Известен световолоконный сцинтилляционный детектор, включающий в себя сборку сцинтилляционных волокон (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. М.: МГУ, 1963.) Сборка сцинтилляционных волокон содержит нити из пластикового сцинтиллятора диаметром 1 мм, которыми заполнен люситовый каркас сборки, имеющий размер 100×100×100 мм³.

Такой световолоконный сцинтилляционный детектор пригоден для регистрации нейтронов (быстрых), однако из-за низкого эффективного атомного номера (Z_eff<6) он имеет очень низкую чувствительность к гамма-излучению и поэтому непригоден для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучений. Кроме того, недостатком известного детектора является невозможность его использования в качестве детектора кольцевого или арочного типа, обеспечивающего регистрацию излучений в плоском угле 2π или π соответственно.

Известен световолоконный детектор (Свидетельство РФ на полезную модель №1756, МПК⁶ G01T 5/08, опубл. 16.02.1996), представляющий собой сборку сцинтилляционных волокон на основе галогенидов серебра.

Однако известный световолоконный детектор не чувствителен к нейтронам и не пригоден для использования в качестве детектора нейтронного излучения. Возможность регистрации излучения в плоском углу 2π или π с использованием известного световолоконного детектора в известной полезной модели не предусмотрена.

Известен сцинтилляционный световод (Патент РФ 2154290, МПК⁷ G02B 6/02, опубл. 10.08.2000), который используют для обнаружения и регистрации ионизирующего излучения (рентгеновского, гамма-, альфа- и электронного). Состав сцинтилляционного световода - твердые растворы на основе галогенидов серебра, мас.%: AgCl 17,980-27,000; AgBr 82,000-72,499; AgI 0,010-0,500, активированные добавками либо таллия, либо хрома, либо европия, либо церия в количестве 0,01-0,001 мас.%.

Однако известный сцинтилляционный световод непригоден для одновременной регистрации гамма- и нейтронного излучения. Возможность регистрации излучения в плоском угле 2π или π с использованием известного сцинтилляционного световода не предусмотрена.

Известен световолоконный сцинтилляционный детектор (Salomon М. New Measurements of Scintillating Fibers Coupled to Multianode Photomultipliers / M. Salomon. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1992. Vol.39. P.671). Такой детектор содержит сборку органических сцинтилляционных волокон (до нескольких тысяч волокон) и фотоприемное устройство. Известный детектор используется для регистрации треков быстрых заряженных частиц в калориметрах различного типа.

Однако органические сцинтилляционные волокна, входящие в известный световолоконный сцинтилляционный детектор, имеют низкий эффективный атомный номер и соответственно невысокую эффективность регистрации гамма-излучения. Таким образом, известный световолоконный сцинтилляционный детектор непригоден для одновременной регистрации и обнаружения гамма- и нейтронного излучений. Кроме того, волокна, входящие в состав известного световолоконного сцинтилляционного детектора, рассчитаны на получение информации о треках частиц, а потому имеют форму цилиндров с небольшой длиной, что обеспечивает малый плоский угол регистрации излучений. Таким образом, известный световолоконный сцинтилляционный детектор непригоден для использования в качестве детектора кольцевого или арочного типа, обеспечивающего одновременную регистрацию и обнаружение нейтронного и гамма-излучений в плоском угле 2π или π соответственно.

Наиболее близким к заявляемому является световолоконный сцинтилляционный детектор (Патент РФ 2262722, МПК⁷, G01T 5/08, опубл. 20.10.2005), содержащий сборку коротких сцинтилляционных волокон (волоконных кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂), предназначенных для регистрации гамма-излучения, и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом.

Однако известный световолоконный сцинтилляционный детектор способен регистрировать и обнаруживать только гамма-излучение и непригоден для регистрации и обнаружения нейтронного излучения, т.е. он непригоден для одновременной регистрации и обнаружения гамма- и нейтронного излучений. Кроме того, известный световолоконный сцинтилляционный детектор (сборка волокон) обеспечивает лишь малый плоский угол регистрации излучений. Таким образом, известный световолоконный сцинтилляционный детектор непригоден для использования в качестве детектора кольцевого или арочного типа, обеспечивающего одновременную регистрацию и обнаружение нейтронного и гамма-излучений в плоском угле 2π или π.

Задачей изобретения является разработка световолоконного сцинтилляционного детектора, предназначенного для одновременной регистрации и обнаружения гамма- и нейтронного (быстрые и тепловые нейтроны) излучений, обеспечивающего повышенный плоский угол регистрации излучений: 2π (детектор кольцевого типа) или π (детектор арочного типа).

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого световолоконного сцинтилляционного детектора, содержащего сборку сцинтилляционных волокон и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом, благодаря тому, что сборка сцинтилляционных волокон содержит сцинтилляционные волокна трех типов, чувствительных соответственно к гамма-излучению, быстрым и тепловым нейтронам, сборка помещена в единую оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, выполнена в виде сцинтилляционного кабеля и имеет форму кольца или арки, а фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников, расположенных в противоположных торцах сборки сцинтилляционных волокон. Волокна для регистрации гамма-излучения выполнены в виде волоконных кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂, волокна для регистрации быстрых нейтронов выполнены из водородсодержащего пластика, а волокна для регистрации быстрых нейтронов выполнены из ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного Се³⁺. Между фотоприемниками и сборкой сцинтилляционных волокон дополнительно введен сместитель спектра.

Сущность изобретения заключается в том, что в световолоконный сцинтилляционный детектор, содержит сборку сцинтилляционных волокон, предназначенных для регистрации гамма-излучения (волоконных кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂), и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом, причем сборка сцинтилляционных волокон помещена в единую оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, выполнена в виде сцинтилляционного кабеля и имеет форму кольца или арки и дополнительно содержит волокна для регистрации быстрых нейтронов (из водородсодержащего пластика) и тепловых нейтронов (из ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного Се³⁺), а фотоприемное устройство стекла, активированного Се³⁺), а фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников, расположенных в противоположных торцах сборки сцинтилляционных волокон. Между фотоприемником и сборкой сцинтилляционных волокон дополнительно введен сместитель спектра.

Применение в сборке сцинтилляционных волокон волокон трех типов обеспечивает одновременную регистрацию и обнаружение гамма-излучения, быстрых и тепловых нейтронов. Особая форма сборки сцинтилляционных волокон (в виде сцинтилляционного кабеля в форме кольца или арки) обеспечивает регистрацию излучения в большом плоском угле (2π или π соответственно), что увеличивает чувствительность детектора. Применение единой оболочки с внутренним светоотражающим покрытием для сборки сцинтилляционных волокон, т.е. сцинтилляционного кабеля, и применение двух фотоприемников на обоих торцах сборки сцинтилляционных волокон повышает светосбор, т.е. увеличивает чувствительность детектора.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлена схема световолоконного сцинтилляционного детектора со сборкой сцинтилляционных волокон, выполненной в виде кольца;

- на фиг.2 представлена схема световолоконного сцинтилляционного детектора со сборкой сцинтилляционных волокон, выполненной в виде арки.

Предлагаемое устройство содержит сборку сцинтилляционных волокон 1 и фотоприемное устройство 2, находящиеся в оптическом контакте друг с другом. Сборка сцинтилляционных волокон 1 содержит сцинтилляционные волокна трех типов:

1) волокна, чувствительные к гамма-излучению, представляющие собой волоконные кристаллы Bi₄Ge₃О₁₂;

2) волокна, чувствительные к быстрым нейтронам, изготовленные из водородсодержащего сцинтиллирующего пластика;

3) волокна, чувствительные к тепловым нейтронам, изготовленные из

⁶Li-содержащего силикатного стекла (Li₂CO₃-MgO-CaO-SiO₂-Ce³⁺).

Сборка сцинтилляционных волокон 1 помещена в единую оболочку 3 с внутренним светоотражающим покрытием, т.е. представляет собой сцинтилляционный кабель, который имеет форму кольца (фиг.1) или арки (фиг.2)

В сцинтилляционном кабеле сборки сцинтилляционных волокон i может содержаться от одного до нескольких волокон каждого из вышеперечисленных типов. Наряду с волокными BGO, могут применяться и другие волоконные кристаллы, чувствительные к гамма-излучению, например Y₃Al₅O₁₂:Се или PbWO₄.

Фотоприемное устройство 2 выполнено в виде двух фотоприемников 4, расположенных в противоположных торцах сборки сцинтилляционных волокон 1. Каждый из фотоприемников 4 имеет оптический контакт с каждым волокном сборки сцинтилляционных волокон 1 и выполнен в виде PIN-фотодиода (или ПЗС-фотоприемника) с максимумом спектральной чувствительности, соответствующим максимуму спектра люминесценции сборки сцинтилляционных волокон 1. Если на практике соответствие между спектральной чувствительностью фотоприемников 4 и максимумом спектра люминесценции сборки сцинтилляционных волокон 1 не выполняется (в силу специфики выбора сцинтилляционных волокон или фотоприемников), в устройство между фотоприемниками 4 и сборкой сцинтилляционных волокон 1 дополнительно вводят сместитель спектра (выполненный, например, по известному патенту РФ 2248588 (БИ 20.03.2005 №8, МПК G01T 1/20, 3/06).

Работа устройства в смешанных (гамма-излучение плюс нейтроны) полях ионизирующих излучений происходит следующим образом.

Под воздействием гамма-излучения в волокнах, чувствительных к гамма-излучению, возникают световые вспышки - сцинтилляции. Последние по волокну (где бы они в волокне не возникали) поступают на фотоприемники 4. Поскольку в качестве фотоприемников используются PIN-фотодиоды или ПЗС-фотоприемники, с максимумом спектральной чувствительности, как правило, в красной области спектра, наиболее подходящим материалом для волокон, чувствительных к гамма-излучению, является ортогерманат висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), максимум спектра люминесценции которого приходится на 490 и 505 нм, полоса свечения 470-560 им. Волокна BGO выпускаются в промышленном масштабе французской фирмой FIBERCRYST.

Под воздействием быстрых нейтронов в волокнах, чувствительных к быстрым нейтронам, в волокнах водородсодержащего сцинтиллирующего пластика возникают протоны отдачи, которые вызывают в пластике световые вспышки-сцинтилляции. Последние по волокну (где бы они в волокне не возникали) поступают на фотоприемники 4. Поскольку в качестве фотоприемников используются PIN-фотодиоды (или ПЗС-фотоприемники) с максимумом спектральной чувствительности, как правило, в красной области спектра, наиболее подходящим материалом для волокон, чувствительных к быстрым нейтронам, является сцинтиллирующий пластик с максимумом свечения в красной области. Такой сцинтиллирующий пластик выпускается в промышленном масштабе Харьковским институтом монокристаллов. Либо используется типовой пластик с синим спектром свечения и сместителем спектра.

Под воздействием тепловых нейтронов в волокнах, чувствительных к тепловым нейтронам, в частности в стекловолокнах из ⁶Li-содержащего силикатного стекла (Li₂CO₃-MgO-CaO-SiO₂-Ce³⁺), протекает реакция ⁶Li(n, α)T. Получающиеся в результате этой реакции α-частицы возбуждают ионы церия Се³⁺. Спонтанное снятие возбуждения в ионах церия Се³⁺ приводит к появлению в стекловолокне световых вспышек-сцинтилляций с максимумом спектра люминесценции в области 390-400 нм. Эти сцинтилляции по волокну (где бы они в волокне не возникали) поступают на фотоприемники 4 через сместитель спектра. В стекловолокнах регистрируются тепловые нейтроны первичного спектра, а также тепловые нейтроны, возникшие в результате замедления быстрых нейтронов в пластиковых волокнах сцинтилляционного кабеля.

Обработка информации, полученной с помощью фотоприемников 4, производится в дальнейшем с помощью блока электронной обработки сигналов (на схемах не показан).

1. Световолоконный сцинтилляционный детектор, содержащий сборку сцинтилляционных волокон, предназначенных для регистрации гамма-излучения (волокон Bi₄Ge₃O₁₂), и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом, отличающийся тем, что сборка сцинтилляционных волокон дополнительно содержит волокна для регистрации тепловых нейтронов и волокна для регистрации быстрых нейтронов, помещена в единую оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, выполнена в виде сцинтилляционного кабеля и имеет форму кольца или арки, а фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников, расположенных в противоположных торцах сборки сцинтилляционных волокон.

2. Световолоконный сцинтилляционный детектор по п.1, отличающийся тем, что волокна для регистрации быстрых нейтронов выполнены из водородсодержащего пластика, а волокна для регистрации тепловых нейтронов выполнены из ⁶Li-содержащего силикатного стекла, активированного Се³⁺.

3. Световолоконный сцинтилляционный детектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между фотоприемниками и сборкой сцинтилляционных волокон дополнительно введен сместитель спектра.