сцинтилляционный детектор

Формула изобретения

Сцинтилляционный детектор, содержащий, по меньшей мере, один датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор в форме призмы или цилиндра для регистрации быстрых нейтронов, выполненный, по крайней мере, с одним полым каналом и размещенным в нем волоконным сцинтилляционным световодом, светоотражающее зеркало, фотодиодное фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что в качестве материала для пластикового сцинтиллятора использован дифенил-1,3,4-оксазол, а волоконный сцинтилляционный световод выполнен из ортогерманата висмута (BGO).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дозиметрии быстрых нейтронов и гамма-излучения. Оно пригодно для использования в стационарных и переносных устройствах радиационного контроля, предназначенных для обнаружения радиоактивных материалов, для решения задач радиационного мониторинга объектов атомной промышленности, для использования в службах атомного надзора, таможенного контроля, для служб дозиметрической и ядерной безопасности атомных электростанций и для служб по предотвращению акций ядерного терроризма. Оно пригодно также для создания терминальных детекторов глобальной сети межрегионального и межгосударственного радиационного мониторинга.

Известен сцинтилляционный детектор (Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского физико-технического института, 1990). Датчик детектора представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации быстрых нейтронов. Известный детектор пригоден для работы только с фотоэлектронными умножителями и не может работать в сочетании с фотодиодными фотоприемными устройствами. Однако такой детектор не пригоден для эффективной одновременной регистрации нейтронов и гамма-излучения из-за пониженного эффективного атомного номера пластика.

Известен сцинтилляционный детектор (Детектор для регистрации ионизирующего излучения. Патент РФ №2088952. Бюл. №24. 27.08.1997). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. Датчик-сцинтиблок состоит из последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi ₄Ge₃О₁₂, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также -, -, -излучениям, и объемного световода, изготовленного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также фотоэлектронного умножителя, преобразующего световые вспышки (сцинтилляции) в электрические сигналы. Блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него как от -, -, -сцинтиллятора Bi₄Ge ₃О₁₂ (длительностью 300 нс), так и от сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода (с длительностью сцинтилляций 5-7 нс). Однако известный сцинтилляционный детектор не пригоден для работы в сочетании с компактными фотодиодными фотоприемными устройствами. При использовании компактного PIN-фотодиода он будет эффективно регистрировать только гамма-излучение, эффективность регистрации нейтронов будет понижена из-за низкой чувствительности фотодиодов к УФ или синему излучению объемного пластикового световода.

Известен сцинтилляционный детектор, пригодный для регистрации заряженных частиц и нейтронов (Taichi Morita. Performance and calibration of wave length shifting fibers for K2K SciBar detector. Proceedings of the KEK-RCNP International School and Mini-workshop for Scintillating Crystals and their Application in Particle and Nuclear Physics. KEK, Tsukuba, Japan, 2003, P.227-231. Япония). Детектор состоит из 15 тысяч пластиковых сцинтиблоков. Каждый сцинтиблок известного детектора содержит, в частности, 16 волоконных фотолюминесцентных светосдвигающих пластиковых световодов, размещенных в продольных каналах пластикового сцинтиллятора для сбора и регистрации фотовспышек в пластике и передачи этой информации на многоканальный мультианодный фотоэлектронный умножитель с последующей обработкой сигналов в блоке обработки информации. Однако известный сцинтилляционный детектор имеет низкую эффективность регистрации гамма-излучения из-за малого эффективного атомного номера пластиковых сцинтиблоков и пластиковых светосдвигающих волокон. Он непригоден для одновременной эффективной регистрации нейтронного и гамма-излучения.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор, пригодный для измерения заряженных частиц, нейтронов и гамма-излучения (Hirokazu Maesaka, The K2K SciBar Detector, Proceedings of the KEK-RCNP International School and Mini-workshop for Scintillating Crystals and their Application in Particle and Nuclear Physics.KEK, Tsukuba, Japan, 2003, p.185-198. Япония). Детектор состоит из 15000 пластиковых датчиков-сцинтиблоков, выполненных в виде параллелепипедов размерами 2,5×1,3×300 см³. Каждый сцинтиблок имеет канал диаметром 1,8 мм по всей длине, расположенный в центре блока. По всей длине такого канала располагается волоконный фотолюминесцентный световод из органического материала диаметром 1,5 мм, выполняющий две функции: функцию светосбора (собирает синий свет от вспышек в сцинтиллирующем пластике) и одновременно функцию смещения спектра свечения пластика с синего на зеленый диапазон (за счет стоксовского сдвига при фотовозбуждении зеленого люминесцентного свечения в волокне синим возбуждающим светом сцинтилляций пластикового блока) для обеспечения лучшего согласования со спектральной чувствительностью фотоприемника. В качестве фотоприемного устройства в известном детекторе используют 64-канальный мультианодный фотоэлектронный умножитель. Однако известный детектор имеет низкую эффективность регистрации гамма-излучения из-за малого эффективного атомного номера пластиковых сцинтиблоков и платиковых светособирающих и светосдвигающих волокон. Он непригоден для одновременной эффективной регистрации нейтронного и гамма-излучения.

Задачей изобретения является повышение эффективности одновременной регистрации гамма-излучения и быстрых нейтронов при использовании в качестве фоторегистраторов компактных фотодиодных устройств, на основе PIN-фотодиодов.

Предлагаемое устройство - сцинтилляционный детектор - решает эту задачу. Это достигается за счет того, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем, по меньшей мере, один сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор для регистрации быстрых нейтронов, выполненный в виде призмы или цилиндра с одним или несколькими полыми каналами и размещенными в них волоконными световодами, светоотражающее зеркало, фотоприемное устройство в виде фотодиодного регистратора и блок электронной обработки сигналов, в качестве материала для пластикового сцинтиллятора используют органическое вещество дифенил-1,3,4-оксазол с максимумом спектра свечения в области 260-290 нм, а волоконные световоды выполняют из тяжелого сцинтиллирующего материала: ортогерманата висмута (BGO), обладающего повышенной чувствительностью к гамма-излучению.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Сцинтилляционный детектор состоит из датчика-сцинтиблока 1 и блока электронной обработки сигналов 2. Датчик-сцинтиблок 1 содержит пластиковый сцинтиллятор 3 и волоконные световоды 4, светоотражающее зеркало 5 и фотоприемник 6. Пластиковый сцинтиллятор 3 выполнен в виде призмы или цилиндра из дифенил-1,3,4-оксазола - пластика с ультрафиолетовым (УФ) спектром свечения. Внешняя боковая поверхность пластикового сцинтиллятора 3 покрыта светоотражающей пленкой (на чертеже не показана). Внутри пластиковый сцинтиллятор 3 имеет продольные (по всей длине) каналы 7 (от одного до 64 штук и более) диаметром 0,04-1,1 мм. Внутри этих каналов располагаются волоконные световоды 4 из сцинтиллирующих волокон ортогерманата висмута (BGO) диаметром 0,03-1,0 мм. Длина этих световодов 4 превышает длину пластикового сцинтиллятора 3. Полированные торцы световодов 4 с одной стороны пластикового сцинтиллятора 3 имеют оптический контакт со светоотражающим зеркалом 5. Концы световодов 4 с другой стороны пластикового сцинтиллятора 3 собираются в единый жгут и соединяются (через оптический контакт) с фотоприемным устройством 6. Фотоприемное устройство 6 выполнено в виде фотодиодного регистратора (PIN-фотодиода) и предназначено для регистрации сцинтилляций, возникающих в пластиковом сцинтилляторе 3 и волоконных световодах 4. Электрические сигналы с фотоприемного устройства 6 анализируются в блоке 2 электронной обработки сигналов.

Устройство работает следующим образом. Быстрые нейтроны, попадая в датчик-сцинтиблок 1, активно взаимодействуют с веществом пластикового сцинтиллятора 3, вызывают появление быстрых протонов - ядер отдачи водорода, входящего в состав пластика. Ядра отдачи водорода вызывают в пластике дифенил-1,3,4-оксазоле световые вспышки-сцинтилляции УФ-диапазона с длиной волны 282 нм и длительностью несколько наносекунд). УФ световые вспышки пластика (282 нм) собираются волоконными световодами 4, изготовленными из ортогерманата висмута, возбуждают в волокнах характерное для BGO сине-зеленое свечение (480-520 нм), которое, в конечном, счете и регистрируется фотоприемным устройством 6, где они преобразуются в электрические сигналы, которые затем поступают в блок 2 на обработку. Гамма-излучение регистрируется с помощью сцинтиллирующих волоконных световодов 4, выполненных из BGO и обладающих высокой эффективностью регистрации гамма-излучения (благодаря высокому эффективному атомному номеру BGO). Сцинтилляции, вызванные гамма-излучением в BGO, имеют длину волны 480-520 нм и длительность 300 нс. Они передаются по волоконным световодам 4 (в том числе отраженные от световозвращающего зеркала 5) в фотоприемное устройство 6, где они преобразуются в электрические сигналы, которые затем поступают в блок 2 на обработку.

Таким образом, при регистрации нейтронов и гамма-излучения волоконные световоды 4 выполняют две роли. Во-первых, при регистрации нейтронов они играют роль сместителей спектра: УФ-свечение пластикового сцинтиллятора 3 с длиной волны 282 нм, несущие информацию о зарегистрированных быстрых нейтронах, эффективно возбуждает сине-зеленое свечение (с длиной волны 480-520 нм) волоконных BGO световодов 4. Во-вторых, при регистрации гамма-излучения волоконные световоды 4 играют дополнительно роль эффективных сцинтилляционных чувствительных элементов (сенсоров-датчиков).

Для повышения чувствительности предлагаемое устройство может содержать несколько (десятков-сотен и даже тысяч) датчиков-сцинтиблоков 1. Количество фотоприемных устройств и блоков электронной обработки сигналов в зависимости от количества датчиков-сцинтиблоков может быть оптимизировано для обеспечения оптимальной по эффективности и стоимости обработки информации.