Двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений. Двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения двух различных потоков энергий содержит сцинтиллятор, связанный через оптический герметик с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источник питания, усилитель-дискриминатор, микроконтроллер, при этом сцинтиллятор выполнен на основе ортосиликата лютеция, легированного церием LYSO, а блок усилителя-дискриминатора содержит два дискриминатора, каждый из которых выполнен с возможностью регистрации электрических импульсов с амплитудой заданного диапазона. Технический результат – разработка миниатюрного устройства, подсчитывающего гамма-кванты различных энергий высокой интенсивности в двух выбранных диапазонах, с увеличенными быстродействием и термостабильностью, а также расширение арсенала средств для регистрации нескольких потоков рентгеновского или гамма-излучения одновременно. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к подсчету количества гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 109 имп./мин и может быть использовано для точной регистрации потоков рентгеновского или гамма излучения двух различных энергий одновременно.

Из патента US6624420B1 [МПК C09K11 / 00, G01T1 / 00, приоритет 1999-02-18] известен монокристаллический сцинтилляционный детектор на основе ортосиликата иттрия лютеция. Сборка сцинтилляционного детектора содержит монокристалл ортосиликата лютеция, легированного церием, а также, фотонный детектор, соединенный с указанным кристаллом, причем электрический сигнал генерируется от фотонного детектора в ответ на воздействие на указанный кристалл гамма-излучения высокой энергии. Обладая высокой чувствительностью к гамма-излучению и другим частицам высоких энергий данный детектор, однако, не позволяет производить разделение излучаемой энергии по диапазонам.

Из патента CN205880232U [МПК G01T1/202, приоритет 2016-03-22] известен сцинтилляционный детектор с двойной головкой, содержащий сцинтилляционный зонд, из кристалла бромида лантана и зонд с кристаллом BGO, с последовательно подключенными к каждому из них фотоумножителем, предварительным усилителем, системой многоканального анализа. Проблемой, которую решает изобретение является измерение излучения с использованием системы из двух разных зондов, совместно использующих электронную систему. Недостатком системы является необходимость использования двух различных кристаллов у сцинтилляционных зондов для измерения излучения в различных диапазонах, с различной термостабильностью и быстродействием, а также его громоздкость, вследствие больших размеров кристаллов.

Наиболее близким к заявляемому, прототипом, является сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, описанный в патенте RU2548048 [ МПК G01T1/20, приоритет от 15.11.2013], содержащий сцинтиллятор на основе ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) и фотоэлектронный умножитель, в котором сцинтиллятор через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем, который связан с источником питания, подключенным к усилителю дискриминатору, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты, который подключен к микроконтроллеру, связанному с персональным компьютером. Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, счетчик подсчитывает количество гамма квантов от различных источников излучения в диапазоне энергий от сотен кэВ до единиц МэВ с загрузкой до 109 имп./мин. В счетчике использован сцинтиллятор, на основе ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO), который через оптический герметик связан с кремниевым фотоэлектронным умножителем. Регистрируемые электрические импульсы, возникающие при прохождении гамма квантов через сцинтиллятор, проходят через усилитель-дискриминатор, который соединен с микроконтроллером и делителем частоты. Микроконтроллер передает оцифрованную информацию о подсчитанных импульсах в персональный компьютер. Достоинством изобретения являются разработка миниатюрного устройства, способного подсчитывать гамма кванты высокой интенсивности. Основной недостаток данного устройства заключается в невозможности производить подсчет гамма квантов по двум выделенным энергиям одновременно. Это значительно сужает область его применения. Подобные счетчики могут только подсчитывать количество гамма квантов без определения диапазона энергии.

Общими существенными признаками с заявляемым изобретением является наличие сцинтиллятора, через оптический герметик связанного с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источника питания, усилителя дискриминатора, микроконтроллера.

Задачей заявляемого изобретения является разработка миниатюрного устройства, подсчитывающего гамма кванты различных энергий высокой интенсивности в двух выбранных диапазонах, с увеличенными быстродействием и термостабильностью, а также расширение арсенала средств для регистрации нескольких потоков рентгеновского или гамма излучения одновременно.

Поставленная задача решена за счет того, что двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, содержащий сцинтиллятор, связанный через оптический герметик с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источник питания, усилитель дискриминатор, микроконтроллер, содержит сцинтиллятор, выполненный на основе ортосиликата лютеция, легированного церием LYSO, а блок усилителя-дискриминатора, содержит два дискриминатора, каждый из которых выполнен с возможностью регистрации электрических импульсов с амплитудой заданного диапазона.

Регистрация квантов двух различных энергий достигается при помощи предлагаемой системы дискриминаторов. Дискриминаторы выделяют два отдельных необходимых энергетических диапазона (диапазона амплитуд электрических импульсов). Таким образом, выделяется из одного общего потока электрических импульсов два отдельных информационных канала, несущих информацию о количестве гамма квантов выделенных дискриминаторами диапазонов. Разделенные по амплитуде электрические импульсы, соответствующие гамма квантам разных энергий через микроконтроллер, производящий подсчет сформированных импульсов, поступают на персональный компьютер, обрабатывающий итоговую информацию. Это позволяет производить подсчет гамма квантов как низкоэнергетического, так и высокоэнергетического излучения одним счетчиком одновременно.

Согласно изобретению, двухканальный счетчик выполнен на основе сцинтиллятора LYSO. Отличительной особенностью сцинтиллятора LYSO от сцинтиллятора BGO является существенно меньший температурный коэффициент светового выхода (0,28%/°C), что является важным при использовании в гамма-спектрометрах, работающих в разных условиях окружающей среды, поскольку позволяет получить гораздо более стабильную энергетическую шкалу системы. При температурах близких к 100°С кристалл BGO способен дать только 0.5% фотовспышек от первоначального излучения при 0°С, для кристалла LYSO данное значение составляет 80% [http://www.detectors.saint-gobain.com/]. Благодаря этому заявляемый счетчик обладает повышенной термостабильностью. Большим преимуществом кристаллов LYSO по сравнению с кристаллами BGO является существенно меньшая постоянная времени спада светового импульса - 40 нс [http://www.azimp.ru/catalogue/Scintillators-crystals1/33/] по сравнению с 300 нс соответственно. Это позволяет сформировать более короткий импульс на выходе детектора и, следовательно, увеличить быстродействие.

Устройство содержит в себе сцинтиллятор и кремниевый полупроводниковый фотоумножитель (ФЭУ). Кремниевый фотоумножитель представляет собой детектор 3-ого поколения с улучшенными параметрами, так называемый «М-тип», особенностью которого является быстродействующий выход, позволяющий получить сигнал с временем нарастания фронта импульса около 100 пс. и временем восстановления менее 1 нс., что необходимо для работы счетчика при высоких скоростях считывания. Кремниевые фотоумножители обладают преимуществами в виде компактных размеров с различным размером активной области: 0,25×0,25 мм2, 1×1 мм2, 3×3 мм2 и 6×6 мм2 с размерами микро ячейки 20 мкм, 35 мкм и 50 мкм, нечувствительностью к воздействию магнитных полей, работой от низкого напряжения – 30 В, механической прочностью и невосприимчивостью к внешней засветке приведены основные типовые характеристики ведущего производителя кремниевых фото умножителей. Преимущество в компактности фотоумножителя одновременно является препятствием для использования хорошо изученных сцинтилляторов кристаллов NaI(Tl) или CsI(Tl). Малая активная область около 6×6 мм2 требует использовать сцинтилляторы с большей плотностью и радиационной длинной. В предлагаемом устройстве используется сцинтиллятор ортосиликат лютеция легированный церием LYSO, удовлетворяющий этим условиям.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок схема двухканального сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения.

Счетчик состоит из сцинтиллятора 1, выполненного на основе кристалла ортосиликата лютеция, легированного церием (LYSO) и склеенного при помощи силиконового герметика 2 с кремниевым фотоумножителем (ФЭУ) 3 с активной площадью 6×6 мм2. Питание кремниевого ФЭУ напряжением около 30В осуществляется источником питания 4. На выходе ФЭУ установлен зарядово-чувствительный быстродействующий усилитель-дискриминатор 5, включающий в себя блок усилителя 6 и два дискриминатора 7 и 8 на базе операционных усилителей, генери¬рующий выходные электрические импульсы при условии, что импульс заряда на входе превышает не-который порог, соответствующий детек¬тируемым световым фотонам. С выходов усилителя-дискриминатора 5 (УД) соответствующих дискриминаторам 7 (Д1) и и 8 (Д2) импульсы поступают на микроконтроллер 9 (МК), который подсчитывает их отдельно по каждому из двух каналов. Подсчитанное количество импульсов с выхода микроконтроллера 9 передается на персональный компьютер 10 (ПК).

В предлагаемом устройстве использован сцинтиллятор 1 на основе кристаллов LYSO с радиационной длиной равной 1,13 см и размером 1см3. Эти параметры сцинтиллятора позволяют регистрировать гамма кванты с энергиями до 2 МэВ. Использование усилителя-дискриминатора, содержащего в своем составе два дискриминатора, настраиваемых на различные диапазоны амплитуд импульсов, позволяет выделять два диапазона энергий гамма квантов и оценивать количество гамма квантов в каждом из них.

В качестве кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 можно использовать детектор, поставляемый компанией SENSL [Ирландия http://www.sensl.com/ downloads/ds/DS-MicroFM.pdf], который позволяет получать сигнал с временем нарастания фронта импульса около 100 пс и временем восстановления менее 1 нс.

В качестве источника питания 4 может быть использован источник, выполненный по схеме, приведенной в прототипе.

Усилитель дискриминатор 5 (УД) содержит в себе усилитель 6 (У), построенный на основе операционного усилителя AD8132A, и дискриминаторы 7 (Д1) и 8 (Д2), построенные на основе операционных усилителей AD8052.

В качестве микроконтроллера 9 (МК) можно использовать контроллеры компании Atmel [http://www.atmel.com/ru/ru/products/microcontrollers/avr/default.aspx].

Устройство работает следующим образом.

Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения размещают рядом с интенсивным источником гамма квантов или рентгеновского излучения, генерирующего излучение в двух диапазонах энергий. Сцинтиллятор 1 (С) преобразует гамма кванты во вспышки света длительностью до 40 нс. Вспышки света через силиконовый герметик 2 (СГ) поступают на кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ), который преобразует их в импульсы напряжения, при этом формируются электрические импульсы с амплитудой из двух диапазонах напряжений, соответствующих двум диапазонам энергии источника, и мно¬жество малых импульсов, которые возникают из-за шумов в самом кристалле кремниевого фотоэлектронный умножителя 3 (ФЭУ). Кремниевый фотоэлектронный умножитель 3 (ФЭУ) получает питание от источника питания 4 (ИП). Импульсы от кремниевого фотоэлектронного умножителя 3 (ФЭУ) длительностью 10-20 нс поступают на усилитель 6 (У) усилителя-дискриминатора 5 (УД). Усиленные импульсы поступают на дискриминаторы 7 (Д1) и 8 (Д2).

Импульсы с амплитудой из двух диапазонов напряжения, соответствующих детектируемым фотонам источника в двух диапазонах энергий, и мно¬жество малых импульсов, являющихся шумами, поступают на дискриминаторы 7 (Д1) и 8 (Д2). При этом дискриминатор 7 (Д1) настроен таким образом, чтобы отсекать шумы и импульсы с амплитудой из первого диапазона, соответствующего первому диапазону энергий источника, а дискриминатор 8 (Д2) - чтобы отсекать шумы и импульсы с амплитудой из второго диапазона амплитуд, соответствующего второму диапазону энергий источника. Таким образом, электрические импульсы на выходе дискриминатора 7 (Д1) соответствуют только импульсам ФЭУ, вызванным квантами излучения источника второго диапазона энергий, а электрические импульсы на выходе дискриминатора 8 (Д2) соответствуют импульсам ФЭУ, вызванным квантами излучения источника первого диапазона энергий, в то время как импульсы ФЭУ, соответствующие шумам, отсутствуют в импульсах после дискриминаторов 7 (Д1) и 8 (Д2). В результате формируются два отдельных канала информации, соответствующие двум диапазонам энергии источника, количество импульсов в каждом из которых определяется количеством квантов излучения источника в соответствующем диапазоне энергий. С выходов усилителя дискриминатора 5 (УД) соответствующих дискриминаторам 7 (Д1) и 8 (Д2) снимаются импульсы длительностью 20-30 нс и поступают на микроконтроллер 9 (МК), который подсчитывает их отдельно по каждому из двух каналов. Подсчитанное количество импульсов передается на персональный компьютер 10 (ПК).

Таким образом, предложенное устройство, обладая миниатюрными размерами способно подсчитывать рентгеновские или гамма кванты с энергией от сотен кэВ до единиц МэВ в двух различных спектральных диапазонах. Благодаря использованию кристалла ортосиликата лютеция, легированного церием в качестве сцинтиллятора, счетчик способен стабильно работать при температурах вплоть до 100̊С, что обеспечивает термостабильность предложенного счетчика с быстродействием до 109 имп/мин. Также предложенное устройство расширяет арсенал средств, позволяющих вести регистрацию нескольких потоков рентгеновского или гамма излучения одновременно.

Двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения двух различных потоков энергий, содержащий сцинтиллятор, связанный через оптический герметик с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источник питания, усилитель-дискриминатор, микроконтроллер, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен на основе ортосиликата лютеция, легированного церием LYSO, а блок усилителя-дискриминатора содержит два дискриминатора, каждый из которых выполнен с возможностью регистрации электрических импульсов с амплитудой заданного диапазона.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области обнаружения ионизирующего излучения. Детектор для обнаружения ионизирующего излучения содержит полупроводниковый слой прямого преобразования для производства носителей заряда в ответ на падающее ионизирующее излучение, и множество электродов, соответствующих пикселам для регистрации носителей заряда и генерирующих сигнал, соответствующий зарегистрированным носителям заряда; при этом электрод из упомянутого множества электродов структурирован так, чтобы двухмерным образом переплетаться с по меньшей мере двумя соседними электродами для регистрации носителей заряда упомянутым электродом и по меньшей мере одним соседним электродом.
Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения величины выхода термоядерных нейтронов импульсного источника дополнительно содержит этапы, на которых подсчитывают количество импульсов тока в выбранном временном интервале, градуировку детектора производят непосредственно перед проведением измерений от эталонного импульсного источника, для чего детектор относительно эталонного источника устанавливают на расстоянии, соответствующем его местоположению при проведении измерений с импульсным источником, при этом используют прибор измерения выхода нейтронов с известной погрешностью, который устанавливают на заданном в паспорте расстоянии от эталонного источника, далее неоднократно снимают показания с детектора и этого прибора для достижения относительной погрешности определения фактической чувствительности детектора к нейтронному излучению в реальной геометрии и реальных климатических условиях измерения на уровне не более ±15% при доверительной вероятности Р=0,95, которую учитывают в качестве постоянного коэффициента при определении выхода нейтронов импульсного источника.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при радиационном мониторинге в качестве портативного средства поиска и определения направления на источник фотонного излучения по двум угловым координатам в телесном угле 2π стерадиан.

Изобретение относится к области поиска и обнаружения источников ионизирующего излучения и предназначается для поиска точечных источников гамма-излучения. Способ определения местоположения точечного источника гамма-излучения на местности содержит этапы, на которых осуществляют ведение радиационной разведки с измерением мощности дозы гамма-излучения, при этом проводят измерения в точках, лежащих на окружности с радиусом R, внутри которой находится источник, определяют точки с наименьшим Pmin и наибольшим Рmах значениями мощности дозы, при этом считают, что искомый источник находится на линии, проходящей через эти точки, рассчитывают расстояние от точки с наибольшим Рmах значением мощности дозы до источника гамма-излучения по формуле Технический результат – повышение оперативности поиска и снижение дозовых нагрузок на персонал, задействованный в проведении работ.

Изобретение относится к области химической дозиметрии и может использоваться при косвенном определении поглощенной дозы гамма-излучения. Способ определения поглощенной дозы гамма-излучения заключается в измерении величины светопропускания дозиметрической жидкости от волнового числа и расчете поглощенной дозы гамма-излучения по установленной градуировочной зависимости величины светопропускания при постоянном волновом числе, при этом в качестве дозиметрической жидкости используют двухфазную систему, состоящую из дихлорбензола и элементарной серы в соотношении компонентов, соответствующем насыщению серы в растворителе, мас.%: дихлорбензол 98,0-99,0, элементарная сера 1,0-2,0.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам корректировки и стабилизации измерительных параметров сцинтилляционных детекторов ионизирующих излучений (СДИ).

Группа изобретений относится к позитронно-эмиссионной томографии (PET). Детектор фотонов содержит массив датчиков из расположенных в плоскости оптических датчиков, четыре идентичных сцинтилляционных кристаллических стержня, первый слой со светоделительным участком, второй слой со светоделительным участком, блок обработки сигналов, соединенный с массивом датчиков, выполненный с возможностью оценивать оценочную глубину взаимодействия одного из четырех идентичных сцинтилляционных кристаллических стержней по детектированному событию на основании соотношения воспринимаемой люминесценции двух из четырех идентичных сцинтилляционных кристаллических стержней, расположенных диагонально друг к другу и обращенных к одному из четырех идентичных сцинтилляционных кристаллических стержней.

Группа изобретений относится к детектору излучения. Детектор излучения содержит преобразующий элемент для преобразования падающего излучения в электрические сигналы; схему считывания для обработки упомянутых электрических сигналов; нагревательное устройство, отделенное от схемы считывания, для нагревания преобразующего элемента, причем нагревательное устройство содержит элемент Пельтье, и причем источник тепла упомянутого элемента Пельтье ориентирован к преобразующему элементу, а его теплоотвод ориентирован к схеме считывания.

Изобретение относится к медицине, а именно к радиологии и медицинской биофизике, и может быть использовано для реконструктивного дозиметрического контроля в протонной терапии сканирующим пучком.

Группа изобретений относится к области скважинных инструментов. Устройство для обнаружения гамма-излучения в стволе скважины содержит сцинтилляционный кристалл и трубчатый фотоэлектронный умножитель, размещенные в общем кожухе или в индивидуальных кожухах.

Группа изобретений относится к устройству определения характеристик для определения характеристик сцинтилляционного материала, в частности, для датчика ПЭТ. Первый источник излучения облучает сцинтилляционный материал первым излучением с длиной волны менее 450 нм.

Изобретение относится к физике твердого тела, в частности к квантовой электронике и может быть использовано в качестве матрицы для создания сред хранения и считывания информации в квантовых компьютерах; изобретение относится также к ядерной физике, а именно к сцинтилляционным материалам.

Изобретение относится к области детекторов излучения. В частности, изобретение относится к детектору излучения для системы рентгеновской визуализации.

Группа изобретений относится к области скважинных инструментов. Устройство для обнаружения гамма-излучения в стволе скважины содержит сцинтилляционный кристалл и трубчатый фотоэлектронный умножитель, размещенные в общем кожухе или в индивидуальных кожухах.

Группа изобретений относится к области скважинных инструментов. Устройство для обнаружения гамма-излучения в стволе скважины содержит сцинтилляционный кристалл и трубчатый фотоэлектронный умножитель, размещенные в общем кожухе или в индивидуальных кожухах.

Изобретение относится к технологии получения поликристаллических сцинтилляционных материалов, применяемых в различных областях науки и техники, важнейшими из которых являются: медицинские и промышленные томографы, системы таможенного контроля и контроля распространения радиоактивных материалов, приборы дозиметрического контроля, различные детекторы для научных исследований, применяемые в физике высоких энергий и астрофизике, оборудование для геофизических исследований для нефте- и газоразведки.

Изобретение относится к технологии получения поликристаллических сцинтилляционных материалов, применяемых в различных областях науки и техники, важнейшими из которых являются: медицинские и промышленные томографы, системы таможенного контроля и контроля распространения радиоактивных материалов, приборы дозиметрического контроля, различные детекторы для научных исследований, применяемые в физике высоких энергий и астрофизике, оборудование для геофизических исследований для нефте- и газоразведки.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующего излучения и касается способа регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения при наличии в спектре паразитного видимого и инфракрасного излучения.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующего излучения и касается способа регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения при наличии в спектре паразитного видимого и инфракрасного излучения.

Использование: для оценки пласта. Сущность изобретения заключается в том, что инструмент содержит детектор, включающий в себя монолитный сцинтилляционный элемент, представляющий собой когерентную сборку соединенных волокон, в которой волокна изготовлены из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества.

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений. Двухканальный сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения двух различных потоков энергий содержит сцинтиллятор, связанный через оптический герметик с кремниевым фотоэлектронным умножителем, источник питания, усилитель-дискриминатор, микроконтроллер, при этом сцинтиллятор выполнен на основе ортосиликата лютеция, легированного церием LYSO, а блок усилителя-дискриминатора содержит два дискриминатора, каждый из которых выполнен с возможностью регистрации электрических импульсов с амплитудой заданного диапазона. Технический результат – разработка миниатюрного устройства, подсчитывающего гамма-кванты различных энергий высокой интенсивности в двух выбранных диапазонах, с увеличенными быстродействием и термостабильностью, а также расширение арсенала средств для регистрации нескольких потоков рентгеновского или гамма-излучения одновременно. 1 ил.

Наверх