Способ контроля параметров сцинтилляционного детектора

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к контролю параметров сцинтилляционного детектора. Способ контроля параметров сцинтилляционного детектора содержит этапы, на которых одновременно измеряют амплитуды сигналов, формируемых при прохождении одиночных высокоэнергичных заряженных частиц через сцинтилляционный детектор, и координаты места прохождения каждой регистрируемой в нем частицы, после чего определяют зависимость амплитуды сигнала от места прохождения частицы, проводят контроль параметров путем сравнения измеренной амплитудно-координатной зависимости с рассчитанной аналогичной зависимостью для известных значений параметров, определяющих светосбор сцинтилляционного детектора. Технический результат – расширение функциональных возможностей контроля параметров сцинтилляционного детектора, определяющих его светосбор после выполнения его сборки и в процессе эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к контролю параметров сцинтилляционного детектора, и может быть использовано для контроля качества сборки сцинтилляционного детектора и его состояния в различных условиях эксплуатации в течение всего срока службы.

Сцинтилляционные детекторы, на основе различных видов сцинтиллирующих материалов, используются при регистрации ионизирующего излучения для научных и технических целей как в наземных, так и космических измерениях. Особенно широко применяются пластиковые сцинтилляционные детекторы благодаря их технологичности при изготовлении практически любых форм и размеров. Важной характеристикой сцинтилляционных детекторов является эффективность светосбора фотонов сцинтилляционной вспышки в детекторе, определяющая его чувствительность к ионизирующим излучениям.

Контроль качества сборки сцинтилляционного детектора необходим при его изготовлении и использовании в составе мобильных приборов и установок в различных условиях эксплуатации в течение всего срока службы для обеспечения высокой эффективности светосбора и работы самого детектора.

Известен способ калибровки сцинтилляционного тракта (Патент RU 2367978, 21.01.2008), состоящего из сцинтилляционного детектора и канала передачи электрических импульсов на анализатор. Способ заключается в использовании последовательности эталонных световых импульсов, один из которых подводится на вход оптического детектора сцинтилляционного тракта, а второй, смещенный относительно первого, поступает на сцинтиллятор.

Однако этот способ направлен на калибровку соответствующих приборов и не позволяет определять параметры сцинтилляционного детектора, характеризующие в нем светосбор.

Известен способ калибровки мюонных годоскопов (Патент RU 2461903, 20.09.2012), в котором производится оценка эффективности срабатывания отдельных сцинтилляционных детекторов годоскопа с использованием регистрации треков мюонов, рождающихся при взаимодействии космических лучей с атмосферой.

Однако этот способ определяет эффективность сцинтилляционных детекторов годоскопа и также не позволяет определять параметры сцинтилляционного детектора, характеризующие в нем светосбор.

Наиболее близким техническим решением, который принят в качестве прототипа, является способ определения параметров сцинтилляционного детектора (Патент RU 2365943, 27.08.2009) путем контроля амплитуд двух задержанных выходных импульсов фотоприемника от двух соответствующих источников света, первый из которых освещает фотокатод фотоприемника, вторым источником света возбуждают люминесценцию сцинтиллятора, который устанавливают через иммерсионный слой на подложку фотокатода фотоприемника, при этом выбирают спектр излучения второго источника света ниже нижней границы спектра люминесценции сцинтиллятора, при этом спектр излучения первого источника света выбирают соответствующим эффективной длине люминесценции сцинтиллятора. Этот способ позволяет контролировать только оптический контакт между сцинтиллятором и фотоэлектронным умножителем и не позволяет контролировать параметры, определяющие светосбор сцинтиллятора: длину поглощения, качество и тип покрытие его граней, т.е. качество сборки сцинтилляционного детектора в целом.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей контроля параметров сцинтилляционного детектора, определяющих его светосбор (длину поглощения, качество и тип покрытие граней сцинтиллятора, оптический контакт между сцинтиллятором и фотоприемником) после выполнения его сборки и в процессе эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что осуществляются одновременно измерения амплитуды сигналов, формируемых при прохождении одиночных высокоэнергичных заряженных частиц через сцинтилляционный детектор, и координаты места прохождения каждой регистрируемой в нем частицы для различных точек сцинтиллятора, после чего определяют зависимость амплитуды сигнала от места прохождения частицы, проводят контроль параметров путем сравнения измеренной амплитудно-координатной зависимости с рассчитанной аналогичной зависимостью с использованием реальной конфигурации исследуемого сцинтилляционного детектора и известных значений параметров, определяющих его светосбор: длина поглощения сцинтиллятора, качество и тип покрытия его граней, оптический контакт между сцинтиллятором и фотоприемником.

В частном случае сравнение зависимостей проводится по критерию согласия Пирсона χ².

Ниже приведен конкретный пример реализации предлагаемого способа контроля параметров сцинтилляционного детектора. В качестве регистрируемых высокоэнергичных заряженных частиц используются потоки высокоэнергичных мюонов атмосферного происхождения (Е>1 ГэВ), образованные при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой.

На фиг. 1 представлена общая схема проведения измерений амплитудно-координатной зависимости для контролируемого сцинтилляционного детектора с использованием потока атмосферных мюонов. Схема состоит из сцинтилляционного детектора 1, состоящего из сцинтиллятора 2 и фотоприемника 3, двух вспомогательных детекторов частиц 4, между которыми находится калибруемый сцинтилляционный детектор 1. Имеется возможность перемещения вспомогательных детекторов 4 вдоль оси X. Выход сцинтилляционного детектора 1 с фотоприемника 3 соединен с входом схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса 6. Вспомогательные детекторы 4 соединены через схему совпадений 5 со вторым из входов схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса 6. Выход схемы измерения и оцифровки амплитуды импульса 6 соединен через контроллер 7 с компьютером 8.

Устройство работает следующим образом. При пролете мюона через вспомогательные детекторы 4 и сцинтилляционный детектор 1 сигнал с выхода фотоприемника 3 поступает на схему измерения и оцифровки амплитуды импульса, как и от схемы совпадения 5. Оцифрованное значение амплитуды сигнала сцинтилляционного детектора 1 через контроллер 7 поступает на компьютер 8.

В процессе измерений происходит накопление информации об амплитудах сигналов от сцинтилляционного детектора 1, регистрируемых при прохождении мюонов, строится амплитудный спектр, определяются максимум в спектре и значение амплитуды, соответствующей этому максимуму. Вспомогательные детекторы позволяют локализовать место прохождения мюонов через сцинтилляционный детектор 1. Одновременное перемещение двух вспомогательных детекторов 4 вдоль оси X по поверхности контролируемого сцинтилляционного детектора 1 позволяет определить зависимость амплитуды сцинтилляционного сигнала от места прохождения через него заряженной частицы.

Расчет зависимости амплитуды сигнала сцинтилляционного детектора 1 от места прохождения через него заряженной частицы проводится моделированием распространения образовавшихся при взаимодействии заряженной частицы с веществом сцинтиллятора фотонов сцинтилляционной вспышки методом Монте-Карло с учетом реальной конфигурации сцинтилляционного детектора и размещенных в нем элементов (сцинтиллятора, фотоприемника, световода, светоотражающего покрытия). Моделируется распространение каждого фотона сцинтилляционной вспышки в детекторе от места образования до фотоприемника, а именно: попадание фотона на окно соединения сцинтиллятора 2 и фотоприемника 3, или его поглощение в процессе распространения. Для этого рассчитывается траектория фотона с использованием известных параметров сцинтилляционного детектора, влияющих на распространение в нем света: длины поглощения света сцинтилляционной вспышки в сцинтилляторе с учетом ее спектральной зависимости, эффективности светоотражения граней и покрытия сцинтиллятора, размещенного в конструкции детектора.

В Таблице 1 представлены результаты рассчитанной амплитудно-координатной зависимости для известных параметров сцинтилляционного детектора: сцинтиллятор размером 10×10×1 см³, длина поглощения 160 см (ВС-404, фирма Bicron), светоотражательная эффективность покрытия - 0.82, фотоприемник (ФЭУ, Hamamatsu R5611-01А). Также приводятся измеренные амплитуды сигналов от детекторов Д1 и Д2 после их сборки. Сравниваются расчетные значения амплитуд сигналов с двумя экспериментальными наборами данных в рассматриваемом случае по критерию согласия Пирсона χ² (как пример реализации заявляемого способа).

Для детектора Д1 =1.8, что при числе степеней свободы 2 показывает соответствие расчетных и экспериментальных данных. Для детектора Д2 =1233.1, что показывает большое расхождение с расчетом, т.е. светосбор данного детектора не соответствует заявленным параметрам. Данный подход можно использовать не только для контроля изготовления и сборки детекторов, но и в процессе их эксплуатации, когда характеристики, характеризующие светосбор, могут меняться.

Таким образом, предлагаемый способ контроля параметров сцинтилляционного детектора позволяет контролировать параметры, определяющие светосбор сцинтилляционного детектора как после его сборки, так и в процессе эксплуатации.

1. Способ контроля параметров сцинтилляционного детектора, заключающийся в измерении амплитуд сигналов от сцинтилляционного детектора, отличающийся тем, что одновременно измеряют амплитуды сигналов, формируемых при прохождении одиночных высокоэнергичных заряженных частиц через сцинтилляционный детектор, и координаты места прохождения каждой регистрируемой в нем частицы, после чего определяют зависимость амплитуды сигнала от места прохождения частицы, проводят контроль параметров путем сравнения измеренной амплитудно-координатной зависимости с рассчитанной аналогичной зависимостью для известных значений параметров, определяющих светосбор сцинтилляционного детектора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнение измеренной и рассчитанной зависимостей проводят по критерию согласия Пирсона χ².