Двумерный детектор ионизирующих частиц
ЭНЕРЖИ АТОМИК (FR)Предложенное изобретение относится к области получения изображения частиц с высокой проникающей способностью. Данное изобретение позволяет повысить разрешающую способность изображения без усложнения технологии производства, Предложенный двумерный детектор ионизирующих частиц содержит матрицу детектирующих волокон, причем каждое детектирующее волокно формирует элемент изображения детектора и включает сцинтиллятор, предназначенный для излучения сцинтилляционного света. Каждое детектирующее волокно состоит из стеклянной капиллярной трубки, заполненной жидким сцинтиллятором, химический состав которого выбирают таким образом, что среднее значение длины свободного пробега первичных сцинтилляционных фотонов незначительно по сравнению с диаметром капиллярной трубки. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к двумерному детектору ионизирующих частиц.
Настоящее изобретение применяют, например, в области получения изображения частиц с высокой проникающей способностью.
Получение изображения частиц с высокой проникающей способностью (например, быстрых нейтронов или гамма-лучей) требует применения детекторов с хорошей разрешающей способностью и высокой останавливающей энергией.
Детекторы такого типа, например, используют при проведении реакции синтеза дейтерия (DD) или смеси дейтерия (D) и трития (Т) с инерционным удержанием плазмы с использованием мощного лазера. Синтез этих изотопов водорода происходит в объеме с характерными размерами 50 мкм. Ядерная реакция синтеза сопровождается высвобождением быстрого нейтрона с энергией 14,1 МэВ для смеси DT или быстрого нейтрона с энергией 2,45 МэВ для смеси DD. Быстрые нейтроны имеют достаточно большую длину пути свободного пробега и вылетают за пределы топлива. Нейтронное изображение локализовано в области горения изотопов водорода. Нейтронное изображение или гамма-изображение формируют либо с использованием прокола, или по кодированной апертуре типа полутеневой диафрагмы или кольца. Для записи такого изображения необходимы детекторы с высокой способностью детектирования и позволяющие определять место расположения точки взаимодействия частиц.
Уровень техники
В настоящее время, двумерные детекторы ионизирующих частиц изготовляют путем сборки тысяч пластмассовых сцинтилляционных волокон, причем длина каждого волокна обычно составляет от 1 и 10 см, и каждое такое волокно формирует один элемент изображения детектора. Такой детектор показан на фиг.1А и 1В. Набор пластмассовых сцинтилляционных волокон 2 установлен в цилиндр 1. Каждое пластмассовое сцинтилляционное волокно 2 имеет приблизительно одинаковый диаметр D, например 1 мм.
На фиг.2 показано пластмассовое сцинтилляционное волокно. Оно состоит из пластмассового сцинтилляционного стержня 3 с высоким показателем преломления (обычно порядка 1,6), окруженного трубкой 4 с более низким оптическим показателем (обычно порядка 1,5). Детектируемые падающие частицы Р (нейтроны, гамма-излучение) пролетают по пути, параллельному оси волокна, и высвобождают свою энергию в пластмассовом сцинтилляторе. При этом образуются ионы I обратного потока, и часть высвобожденной энергии преобразуется в первичные фотоны Ph1 и затем во вторичные фотоны Ph2 и третичные фотоны Ph3. Третичные фотоны Ph3 формируют видимый сцинтилляционный свет, который проходит по световоду до одного из концов волокна, где изображение регистрируют с использованием CCD детектора на основе прибора с зарядовой связью. Несколько сантиметров волокна необходимы для эффективного детектирования частиц с высокой проникающий способностью, таких как быстрые нейтроны.
Для волокон с длиной больше, чем один сантиметр, эта технология ограничивает минимальный диаметр волокна размером приблизительно 0,5 мм.
Также известно, что дискретизация изображения ограничивает конечную разрешающую способность источника значением двойного размера элемента изображения, разделенного на степень увеличения системы получения изображения. Поэтому в данном случае увеличение системы получения изображения должно составлять порядка 200, для получения пространственной разрешающей способности меньше, чем размер источника, например, разрешающей способности порядка 5 мкм. При этом измерительный инструмент получается большой длины, которая может превышать приблизительно десять метров.
Кроме того, такой детектор изготовляют путем кропотливой сборки, один за другим, нескольких тысяч элементов изображения. В результате получают дефекты регулярной компоновки элементов изображения. Более того, отсутствие жесткости у пластмассовых сцинтилляционных волокон и их высокий коэффициент расширения не дают возможности гарантировать точную колинеарность между каждым волокном.
Кроме того, взаимодействие быстрых нейтронов в пластмассовом сцинтилляторе происходит, в основном, за счет упругой диффузии водорода. При этом ионы I обратного потока высвобождают свою энергию на цилиндре с типичным диаметром 1 мм, в то время как падающие частицы (нейтроны, гамма-излучение) имеют энергию 14,1 МэВ. В результате возникает другое ограничение пространственной разрешающей способности в источнике, составляющее ширину области выделения увеличивающейся энергии (диаметр цилиндра).
Таким образом, технология изготовления двумерных детекторов известного уровня техники ограничивает рабочие характеристики инструментов, в которых установлены эти детекторы. Например, в матрице пластмассовых сцинтилляционных волокон с диаметром 0,5 мм пространственная разрешающая способность нейтронного детектора ограничена 1,4 мм для нейтронов с энергией 14,1 МэВ и 1 мм для нейтронов с энергией 2,45 МэВ. Настоящее изобретение не обладает описанными выше недостатками.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к двумерному детектору ионизирующих частиц, содержащему матрицу детектирующих волокон, причем каждое детектирующее волокно формирует элемент изображения детектора и включает сцинтиллятор, предназначенный для излучения сцинтилляционного света, отличающемуся тем, что каждое детектирующее волокно состоит из стеклянной капиллярной трубки, заполненной жидким сцинтиллятором, химический состав которого выбирают таким образом, что среднее значение длины свободного пробега первичных сцинтилляционных фотонов незначительно по сравнению с диаметром капиллярной трубки.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после чтения предпочтительного варианта его выполнения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1А показан двумерный детектор ионизирующих частиц в соответствии с предшествующим уровнем техники;
на фиг.1В показано детальное представление фиг.1А;
на фиг.2 представлено взаимодействие детектируемых ионизирующих частиц в пластмассовом сцинтилляционном волокне в соответствии с предшествующим уровнем техники;
на фиг.3 показан двумерный детектор ионизирующих частиц в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения.
На всех чертежах одинаковыми номерами ссылки обозначены одинаковые элементы.
Осуществление изобретения
На фиг.3 показан двумерный детектор ионизирующих частиц в соответствии с настоящим изобретением.
Двумерный детектор в соответствии с настоящим изобретением содержит матрицу 6 капиллярных трубок, заполненных жидким сцинтиллятором. Матрица 6 капиллярных трубок установлена в резервуаре 5. Например, капиллярные трубки имеют средний диаметр d, меньше или равный 500 мкм, значение которого может составлять даже 20 мкм. Показатель преломления стекла капиллярных трубок может составлять, например, 1,49. Параллелизм капиллярных трубок выдерживают на уровне меньше, чем 100 микрорадиан. Пробег падающих частиц параллелен центральной линии капиллярных трубок.
Например, жидкий сцинтиллятор имеет показатель преломления 1,57. Химический состав жидкого сцинтиллятора выбирают таким образом, что среднее значение длины пробега первичных сцинтилляционных фотонов является незначительным по сравнению с диаметром капиллярной трубки. Например, длина волны первичных сцинтилляционных фотонов, индуцированных в растворителе, составляет 300 нм.
Жидкий сцинтиллятор представляет собой либо бинарный жидкий сцинтиллятор, или тернарный жидкий сцинтиллятор. Бинарный жидкий сцинтиллятор содержит первый компонент сцинтиллятора, который поглощает первичные сцинтилляционные ультрафиолетовые фотоны и излучает вторичную эмиссию с большей длиной волны, например 370 нм. Тернарная сцинтилляционная жидкость, помимо первого компонента, содержит второй сцинтилляционный компонент, который поглощает вторичную электронную эмиссию, излучаемую первым компонентом и, в свою очередь, излучает на длине волны от 400 нм до 500 нм, например 420 нм. В обоих случаях показатель преломления жидкого сцинтиллятора и показатель преломления стекла, из которого сформирована капиллярная трубка, выбирают так, что образуется световод для сцинтилляционного света, направленный к выходному концу капиллярной трубки.
Растворитель, с использованием которого формируют капиллярную трубку, может представлять собой, например, фенил-о-ксилилэтан. В качестве неограничивающего примера, пространственная разрешающая способность бинарного жидкого сцинтиллятора составляет 6 мкм, и он излучает свет с длиной волны 370 нм, и пространственная разрешающая способность тернарного жидкого сцинтиллятора составляет 7 мкм, и он излучает свет с длиной волны 420 нм. В качестве бинарных и тернарных сцинтилляторов можно, например, использовать поставляемые коммерчески компоненты с торговыми обозначениями EJ-399-05C2 и EJ-399-05C1 соответственно.
Предпочтительно, жидкий сцинтиллятор содержит дейтерий. Использование дейтерия, предпочтительно, может уменьшить ширину области выделения энергии нейтронов вокруг точки его взаимодействия с коэффициентом 2. Жидкость также может содержать раствор лития или элемента с атомной массой больше, чем у лития. Кроме того, интенсивность сцинтилляционного излучения будет разделена на коэффициент е (е≈2.71828) в течение нескольких наносекунд. Это свойство позволяет выбирать энергетическую зону нейтрона во время его пролета. Это свойство также позволяет дифференцировать нейтроны от фотонов, которые обычно сопровождают выделение нейтронов. Благодаря своей природе бинарный сцинтиллятор имеет время нарастания порядка нескольких десятков пикосекунд. Это свойство является существенным, например, для сверхбыстрых субнаносекундных кинематографических вариантов применения.
Резервуар 5 содержит первую стенку 7, в которой установлено стеклянное окно, прозрачное на длине волны сцинтилляции, и вторую стенку 8, расположенную перед первой стенкой и выполненную в виде зеркала, отражающего свет на этой длине волны. Между окном и зеркалом резервуара помещены капиллярные трубки, и их оси расположены перпендикулярно зеркалу и окну. Детектируемые частицы проникают в детектор через зеркало. Сцинтилляционный свет собирают через окно 7. Этот свет изотропен, и часть излучаемого света, которая падает на зеркало, отражается зеркалом и возвращается в выходное окно.
Упругие мембраны 9 и 10 на верхней и нижней стенках резервуара соответственно, установленные параллельно осям капиллярных трубок, поглощают тепловое расширение сцинтиллятора.
Например, матрица детектора имеет сечение порядка 100×100 мм2 и толщину Е, которая может измениться от 10 до 50 мм. Она изготовлена в виде единого блока путем множественной сборки макропучков, содержащих элементарные пучки. При использовании такой технологии можно изготовлять монолитные детекторы с большим сечением. Матрицу капиллярных трубок, предпочтительно, изготавливают с толщиной, намного большей требуемой толщины, для обеспечения хорошей колинеарности между капиллярными трубками (например, меньше 100 микрорадиан).
Ниже описан цифровой пример варианта конструкции детектора, используемого для получения нейтронного изображения капсулы диаметром 1 мм, заполненной дейтерием, взрываемой лазером с энергией 30 кДж. Матрица капиллярных трубок выполнена в виде блока с боковыми размерами 100 мм и толщиной 50 мм. Каждая капиллярная трубка имеет диаметр 250 мкм. Жидкий сцинтиллятор с оптическим показателем 1,57 содержит 98%-ный дейтерий. Его сцинтилляционная эффективность составляет 80% по сравнению с антраценом, и коэффициент затухания составляет 3 нс. Резервуар из нержавеющей стали закрыт зеркалом и стеклянным окном. Четыре упругих мембраны обеспечивают возможность теплового расширения сцинтиллятора.
1. Двумерный детектор ионизирующих частиц, содержащий матрицу детектирующих волокон, причем каждое детектирующее волокно формирует элемент изображения детектора и включает сцинтиллятор, предназначенный для излучения сцинтилляционного света, отличающийся тем, что каждое детектирующее волокно состоит из стеклянной капиллярной трубки, заполненной жидким сцинтиллятором, химический состав которого выбирают таким образом, что среднее значение длины свободного пробега первичных сцинтилляционных фотонов незначительно по сравнению с диаметром (d) капиллярной трубки.
2. Двумерный детектор по п.1, отличающийся тем, что жидкий сцинтиллятор представляет собой бинарный жидкий сцинтиллятор.
3. Двумерный детектор ионизирующих частиц по п.1, отличающийся тем, что жидкий сцинтиллятор представляет собой тернарный жидкий сцинтиллятор.
4. Двумерный детектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в жидком сцинтилляторе используется РХЕ растворитель.
5. Двумерный детектор по п.1, отличающийся тем, что жидкий сцинтиллятор содержит дейтерий.
6. Двумерный детектор по п.1, отличающийся тем, что капиллярные трубки имеют диаметр от 20 до 500 мкм и длину от 10 до 50 мм, и что капиллярная матрица имеет сечение, приблизительно равное 100×100 мм.
7. Двумерный детектор по п.1, отличающийся тем, что капиллярные трубки помещены в резервуар, содержащий первую стенку (7), на которой установлено стеклянное окно, прозрачное на длине волны сцинтилляционого света, и вторую стенку (8), расположенную перед первой стеной (7) и выполненную из зеркала, отражающего свет на этой длине волны, причем ионизирующие частицы поступают в детектор через зеркало.
8. Двумерный детектор ионизирующих частиц по п.7, отличающийся тем, что резервуар содержит верхнюю и нижнюю стенки, которые включают упругие мембраны (9, 10), обеспечивающие компенсацию теплового расширения.
