Сцинтилляционный детектор

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, пунктах таможенного досмотра, публичных местах и т.д. Технический результат - формирование универсальных детекторов с преобразователями излучения любого типа с эффективной площадью или объемом, определяемыми только затуханием света в светопереизлучающих элементах, уменьшение количества фотоприемников по сравнению с количеством преобразователей излучений, считывание сцинтилляционного сигнала с преобразователей, окруженных со всех сторон другими преобразователями. Технический результат достигается тем, что преобразователи излучения расположены в точках пересечения двух- или трехмерной координатной сетки. Преобразователи излучения соединены с соседними линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на них с оптическим контактом. 5 ил.

 

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, пунктах таможенного досмотра, публичных местах и т.д.

Известен ряд сцинтилляционных детекторов.

Детектор, содержащий соприкасающиеся сцинтилляторы, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов. Грани сцинтиллятора обеспечивают оптический контакт. Патент Российской Федерации №2259573, МПК⁷ G01T 1/00, 2005 г.

Сцинтилляционный детектор, содержащий два соприкасающихся сцинтиллятора, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов. Каждый из сцинтилляторов выполнен в виде шара и покрыт светоотражающим покрытием. Сцинтилляторы размещены в корпусе, покрытом внутри светопоглощающим покрытием. Патент Российской Федерации №2303278, МПК⁷ G01T 1/00, 2007 г.

Сцинтилляционный детектор, содержащий пластиковый сцинтиллятор в форме призмы или цилиндра для регистрации быстрых нейтронов, выполненный с одним каналом и размещенным в нем волоконным сцинтилляционным световодом, светоотражающее зеркало, фотодиодное фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов. Патент Российской Федерации №2303798, МПК⁷ G01T 1/00, 2007 г.

Световолоконный сцинтилляционный детектор, содержащий сборку сцинтилляционных волокон, предназначенных для регистрации гамма-излучения, и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом. Сборка сцинтилляционных волокон содержит волокна для регистрации тепловых нейтронов и волокна для регистрации быстрых нейтронов и помещена в оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников. Патент Российской Федерации №2323453, МПК⁷ G01T 3/20, 2008 г.

Устройство для считывания сцинтилляционного сигнала, содержащее светосборник в виде пластины из прозрачного материала, по крайней мере, одно светопереизлучающее волокно, два фотодиода и электронную плату с двумя усилителями-дискриминаторами и схемой совпадений. Светосборник покрыт светоотражающим, установленным с зазором, а затем светозащитным материалами. Патент Российской Федерации на полезную модель №77053, G01T 1/20, 2008 г.

Сцинтилляционный детектор со сцинтилляторами различного типа и фотоприемниками. Сцинтиллятор содержит не менее двух составных элементов различного типа, установленных последовательно, на одном из торцов составного сцинтиллятора установлено такое же количество фотоприемников со спектральными чувствительностями или светофильтрами, согласованными с соответствующим типом составного элемента сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2371739, МПК⁷ G01T 1/20, 2009.

Координатно-чувствительный детектор, содержащий блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах которых расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, отличающийся тем, что блок выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2351954, G01T 3/06, 2009.

Известен двухкоординатный детектор, преобразователь излучения в котором выполнен в виде сцинтиллирующей пластины с закрепленными на ней на разных плоскостях рядами светопереизлучающих волокон, расположенных перпендикулярно друг другу, а фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2353952, G01T 3/06, 2009. Прототип.

Все перечисленные аналоги и прототип имеют общий недостаток: регистрируют ограниченное число видов излучения, требуют большого количества фотоприемников, количество которых пропорционально площади или объему детектора, чувствительность устройств зависит от их положения относительно источника, местонахождение которого в общем случае неизвестно, что требует дополнительных измерений для его нахождения, не имеют возможности целенаправленно изменять спектр излучения или преобразовывать его в другой вид излучения с целью получения дополнительной информации об излучении или для повышения эффективности его регистрации.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является формирование универсальных сцинтилляционных детекторов, содержащих преобразователи излучения любого типа, возможность создания детекторов, эффективная площадь или объем которых определяются только затуханием света в светопереизлучающих элементах, уменьшение количества элементов фотоприемников или самих фотоприемников по сравнению с количеством преобразователей излучений, исключение влияния пространственного положения источника излучения по отношению к устройству на работоспособность и чувствительность устройства, возможность введения в устройство дополнительных материалов для целенаправленного изменения характеристик излучения, возможность считывания сцинтилляционного сигнала с преобразователей, окруженных со всех сторон другими преобразователями.

Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, преобразователи излучения расположены в точках пересечения двух- или трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними, по крайней мере, по двум направлениям координатной сетки линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, причем преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5.

На фиг.1 изображено устройство сцинтилляционного детектора с N преобразователями излучения, размещенными в одной плоскости, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы, расположенные в параллельных плоскостях по разные стороны от преобразователей излучения 1, 3 - фотодетекторы, 4 - преобразователь, положение которого определено при срабатывании фотодетекторов 3.

На фиг.2 изображено устройство сцинтилляционного детектора с N преобразователями излучения, размещенными с одной стороны преобразователей излучения, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы, размещенные с одной стороны от преобразователей излучения 1.

На фиг.3 изображено устройство сцинтилляционного детектора с N преобразователями излучения, размещенными с одной стороны преобразователей излучения по их диагоналям, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы, размещенные с одной стороны от преобразователей излучения 1. Преимущество диагонального расположения спектропереизлучающих элементов состоит в большей площади оптического контакта с преобразователем излучения и улучшении из-за этого светосбора примерно в 1,41 раза.

На фиг.4 изображено устройство считывания сцинтилляционного детектора с трехмерного набора N преобразователей излучения, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы.

На фиг.5 представлена схема сцинтилляционного детектора со считыванием сигнала с преобразователей излучения с помощью фотодетекторов, включенных в схему совпадений, где 1 - преобразователи излучения (вид со стороны источника), 2 - светопереизлучающие элементы, 3 - фотодетекторы, 5 - аналоговые усилители, 6 - дискриминаторы, 7 - схемы совпадений.

Рассмотрим работу устройства на примере фиг.1. Преобразователи излучения 1 выполнены в виде прямых параллелепипедов (в частности, кубиков) и не имеют оптического контакта между собой. Каждый преобразователь излучения 1 имеет контакт с двумя скрещивающимися во взаимно перпендикулярных направлениях светопереизлучающими элементами 2. При возникновении сцинтилляционной вспышки в преобразователе 4 (фиг.1) фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих элемента 2, где переизлучаются и распространяются по светопереизлучающим элементам 2 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего материала. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих элементов 2, регистрируют фотодетекторами 3. Положение преобразователя излучения 4, в котором произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам фотодетекторов 3, на которых сигнал появился практически одновременно.

Преобразователи излучения 1 покрыты светоотражающим материалом для увеличения количества фотонов, попадающих в светопереизлучающие элементы 2, и светозащитным материалом, чтобы свет не попал в соседние преобразователи излучения 1 и соответствующие им светопереизлучающие элементы 2.

Преобразователи излучения 1 выполняют из различных материалов, что позволяет регистрировать любой вид излучения. Для регистрации рентгеновского и гамма-излучений в состав детектора вводят преобразователи излучения 1 из сцинтилляторов: NaI, CsI, BGO, BaF₂ и другие. Для регистрации тепловых нейтронов вводят пластмассовый сцинтиллятор с добавками бора или слои сцинтиллятора на основе изотопа лития-6 (Li⁶FZnS) или бора-10. Для регистрации быстрых нейтронов и гамма-излучений вводят преобразователи на основе пластмассовых сцинтилляторов.

Тип преобразователей 1, их количество, размер, форма и расстояние между преобразователями определяют исходя из требований к системе регистрации. Ограничения на указанные параметры накладывают эффективность сбора света с преобразователя излучения на светопереизлучающий элемент и длину затухания света в светопереизлучающих элементах, которая достигает нескольких метров.

Светопереизлучающие элементы 2 выполняют из пластмассового сцинтиллятора со спектросмещающими добавками, покрывают оболочкой из прозрачного материала, обычно из полиметилметакрилата, с коэффициентом преломления, меньшим, чем пластмассовый сцинтиллятор, для увеличения количества фотонов, транспортируемых к фотодетекторам. Для уменьшения числа фотонов, которые могут попасть в соседние светопереизлучающие элементы 2, переизлучиться и попасть в соседние фотодетекторы 3, их экранируют друг от друга светонепроницаемым материалом.

В качестве фотодетекторов используют двухкоординатные ФЭУ или фотодиоды. В случае фотодиодов для уменьшения влияния их собственных шумов фотодиоды попарно включают по схеме совпадений. Для этого вместо одного светопереизлучающего элемента 2 в оптический контакт с преобразователем излучения 1 приводят два светопереизлучающих элемента 2, расположенных в одном направлении (фиг.5).

Оптический контакт светопереизлучающих элементов 2 и фотодетекторов выполнен либо непосредственно, либо с помощью промежуточного оптоволокна. Фотодетекторы и последующие электронные схемы располагают с одной стороны от устройства. Расстояние, на котором фотодетекторы и электронные схемы располагают от устройства, ограничено длиной затухания света в спектросмещающих элементах и оптоволокне и может достигать нескольких метров. Размещение преобразователей излучения 1 в узлах трехмерной координатной сетки и удаление фотодетекторов от преобразователей излучения делает устройство нечувствительным к положению устройства относительно источника излучения и обеспечивает возможность защиты электроники от воздействия излучений

Для уменьшения числа каналов регистрации, в том числе, количества фотодетекторов, преобразователи излучений 1 располагают на расстоянии друг от друга. При этом для получения дополнительной информации об излучении или повышения эффективности регистрации путем изменения спектра излучения или его преобразования в другой вид излучения промежутки между преобразователями заполняют одним или несколькими материалами. При регистрации быстрых нейтронов путем их замедления и регистрации замедлившихся нейтронов с помощью преобразователей излучения 1 из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора или содержащих слои сцинтиллятора на основе изотопа лития-6 (L⁶FZnS) или бора-10 промежутки заполняют водородосодержащим веществом, например полиэтиленом, который эффективно замедляет быстрые нейтроны. При регистрации гамма-излучения промежутки заполняют веществом с большим зарядом ядра, например свинцом, который преобразует гамма-излучение в более мягкое излучение и электроны, которые более эффективно регистрируются.

Сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, отличающийся тем, что преобразователи излучения расположены в точках пересечения двух- или трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними, по крайней мере, по двум направлениям координатной сетки линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, причем преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами.