сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучений

Формула изобретения

Сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучений, включающий замедлитель электронов, сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов, отличающийся тем, что замедлитель электронов и сцинтиллятор выполнены в виде единого блока из сборки сцинтиллирующих волокон, расположенных перпендикулярно направлению распространения регистрируемого излучения, а фотоприемник выполнен в виде двухкоординатно-чувствительного фоторегистратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области детекторов ионизирующих излучений, чувствительных к электронному и бета-излучению, предназначенных для определения энергии электронного и бета-излучения и применяемых в дозиметрической и таможенной практике для идентификации источников, электронного и бета-излучения, а также при работе с радиоизотопами в медицинской диагностике и терапии.

Известен сцинтилляционный детектор ядерных излучений (патент US № 3688118, кл. G01T 1/00, 1972), который содержит два сцинтилляционных детектора, один из которых чувствителен к заряженным частицам, к электронному и бета-излучению и нейтронам, а второй сцинтилляционный детектор чувствителен только к заряженным частицам, к электронному и бета-излучению. Однако ни один из этих сцинтилляционных детекторов электронного и бета-излучения не пригоден для идентификации их энергии, поскольку каждый из них работает только в счетном режиме.

Известны сцинтилляционные детекторы электронного и бета-излучения на основе органических материалов (Шрам Э., Ломбер Р. Органические сцинтилляторы. М.: Атомиздат, 1967. 184 с.). Органические сцинтилляторы, уступая неорганическим по термической устойчивости, обладают рядом преимуществ: они обладают малой длительностью сцинтилляций и являются быстрыми сцинтилляторами нано- и пикосекундного диапазона. Они, в отличие от неорганических сцинтилляторов, пригодны для регистрации супермягкого электронного и бета-излучения. Однако органические сцинтилляционные детекторы работают в счетном режиме и не обеспечивают спектрометрии электронного и бета-излучения. Использование органических сцинтилляторов в сцинтилляционных спектрометрах ограничено из-за их крайне низкого энергетического разрешения (несколько десятков процентов) и из-за необходимости применения сложных спектрометрических электронных трактов.

Известен сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂ и световода из органического водородсодержащего вещества-сцинтиллятора на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также электронному и бета-излучению (патент RU № 2088952, кл. G01N 1/20, 1997). Однако известный сцинтилляционный детектор по патенту RU № 2088952 применяется только в счетном режиме. Возможность его применения для определения энергии электронного и бета-излучения ограничена из-за низкого энергетического разрешения используемых в нем материалов: энергетическое разрешение кристаллов Bi ₄Ge₃O₁₂ обычно составляет 15-20%, а органического компонента сцинтилляционного детектора - десятки процентов. Кроме того, известный сцинтилляционный детектор для определения энергии требует применения сложного спектрометрического электронного тракта.

Известен сцинтилляционный детектор, в частности сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения (патент US № 5514870, кл. G01T 001/202; G01T 001/203, 1996). Сцинтилляционный детектор содержит чистый кристалл CsI и быстрый пластический сцинтиллятор NE102A. В качестве фотоприемника используют фотоумножитель. При регистрации падающей радиации световые сцинтилляции от обоих сцинтилляторов - пластика и кристалла CsI, поступают на фотоумножитель, сигналы от которого обрабатываются электронным трактом. Однако тракт обработки сигналов известного детектора оказывается сложным. Он включает в себя анализатор импульсов, временной селектор с короткими и длинными временными воротами. Детектор при анализе вида падающей радиации обеспечивает высокое временное разрешение (3 нс), задаваемое пластиком. Однако при определении энергии падающего электронного или бета-излучения временное разрешение детектора оказывается недостаточно высоким, для чистого кристалла CsI оно составляет 30 нс.

Известен сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения, описанный в работе (В.Прайс. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1960. 464 с). Детектор содержит сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов. В качестве сцинтиллятора в известном устройстве применяют кристаллы антрацена, обладающие малым временем высвечивания (до 4 нс) и не требующие в отличие от кристаллов NaI-Т1 герметичной упаковки. В качестве фотоприемника применяют фотоэлектронный умножитель. Сцинтиллятор выбирается такого размера, чтобы его площадь равнялась площади катода торцевого фотоумножителя, а толщина - пробегу бета-частиц с максимальной энергией. Тракт обработки сигналов известного сцинтилляционного бета-спектрометрического детектора содержит блок анализатора, который регистрирует только импульсы, соответствующие пику полной энергии, и анализирует формируемый амплитудный спектр, а также содержит сложную схему, которая корректирует получаемый амплитудный спектр из-за нелинейной зависимости световыхода антрацена от энергии электронного и бета-излучения при энергиях ниже 100 кэВ. Недостатком известного устройства является постоянная толщина выбранного сцинтиллятора, равная, по крайней мере, пробегу бета-частиц с максимальной энергией, что делает его малопригодным, если требуются измерения бета-источников других типов с более жестким спектром, т.е. с большей максимальной энергией. Недостатком является также наличие сложной схемы анализатора и коррекции сигналов.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения (пат. 2251124 от 14.10.2003), который состоит из клинообразного поглотителя излучения вогнутой формы, сцинтиллятора в виде одномерного сцинтилляционного экрана, фотоприемника в виде одномерной фоточувствительной линейки и тракта обработки сигналов. Электронное или бета-излучение в известном детекторе попадает на клинообразный поглотитель излучения и проникает сквозь него на глубину, не превышающую максимальный экстраполированный пробег электронов (бета-частиц) для данной энергии. Прошедшее сквозь поглотитель излучение попадает на сцинтиллятор, обеспечивая его свечение и загрузку находящегося в оптическом контакте с ним фотоприемника. Благодаря клинообразной форме поглотителя свечение сцинтиллятора и соответственно загрузка фотоприемника имеет место от начала (нулевой толщины) клина до некоторого предела, соответствующего определенной толщине клина, по которому и можно определить максимальную энергию падающего излучения. Таким образом, координата крайней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана соответствует некоторой максимальной энергии регистрируемого излучения. Фоторегистрирующее устройство и тракт обработки сигналов определяют крайнюю светящуюся ячейку сцинтилляционного экрана путем сравнения сигнала от каждой ячейки фоторегистрирующей линейки с сигналом, соответствующим пороговому значению, адекватному фону. Однако известный детектор электронного и бета-излучения, имея относительно простой тракт обработки сигналов, обладает и принципиальным недостатком, связанным с тем, что движение электронов ионизирующего излучения при их замедлении внутри клинообразного замедлителя происходит не по прямолинейной, а по сложной ломанной траектории. По этой причине крайняя светящаяся точка сцинтилляционного экрана может лишь качественно (очень неточно) указывать на энергию регистрируемых электронов. Особенно высокие неточности определения энергии электронного и бета-излучения известным детектором имеют место при малых энергиях электронных излучений, т.е. в области малых толщин клинообразного замедлителя. Таким образом, известный детектор электронного и бета-излучения имеет низкое энергетическое разрешение в широком диапазоне энергий регистрируемых излучений и не пригоден для спектрометрических измерений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технического решения детектора электронного и бета-излучения с относительно простым трактом обработки сигналов, обеспечивающего повышенную точность определения энергии электронного или бета-излучения.

Задача изобретения решается благодаря тому, что в предлагаемом техническом решении детектора электронного и бета-излучения замедлитель электронов и сцинтиллятор выполнены в виде единого блока из сборки сцинтиллирующих волокон, расположенных перпендикулярно направлению распространения регистрируемого излучения, а фотоприемник выполнен в виде двухкоординатно-чувствительного фоторегистратора, например ПЗС-матрицы.

Схема предлагаемого технического решения детектора электронного и бета-излучения представлена на чертеже.

Предлагаемый детектор электронного и бета-излучения состоит из сборки 1 сцинтилляционных волокон, двухкоординатно-чувствительного фоторегистратора 2 (например, ПЗС-матрицы), блока обработки сигналов 3 и светоотражающего зеркала 4. Сборка сцинтилляционных волокон 1 находится в оптическом контакте с фоторегистратором 2 и зеркалом 3.

Предлагаемый детектор электронного и бета-излучения работает следующим образом. Электронное или бета-излучение попадает на сборку 1 сцинтилляционных волокон в направлении, перпендикулярном расположению волокон, вызывая в волокнах появление сцинтилляционных вспышек. По мере проникновения электронного или бета-излучения вглубь сборки 1 сцинтилляционных волокон происходит уменьшение энергии регистрируемых электронов до такого уровня, при котором возникновение сцинтилляционных вспышек становится невозможным. Толщина сборки 1 сцинтилляционных волокон всегда выбирается больше максимального пробега регистрируемых электронов. Сцинтилляционные вспышки, возникшие в волокнах сборки 1, по этим же волокнам передаются в двухкоординатно-чувствительный фоторегистратор 2, находящийся в оптическом контакте с одним из торцов сцинтилляционных волокон сборки 1. Другие торцы волокон сборки 1 находятся в оптическом контакте со светоотражающим зеркалом 4, которое повышает светосбор сцинтилляционных вспышек на фоторегистраторе 2. Таким образом, в результате попадания электронного или бета-излучения на сборку 1 сцинтилляционных волокон на фотоприемнике 2 возникает двумерная яркостная картина, позволяющая достаточно точно судить об энергетическом распределении электронов в регистрируемом потоке. Несмотря на то что движение электронов ионизирующего излучения при их замедлении внутри сборки волокон происходит не по прямолинейной, а по сложной ломанной траектории, точность определения энергии электронов в предлагаемом детекторе оказывается выше, чем, например, в случае известного детектора с клинообразным замедлителем (пат. 2251124 от 14.10.2003), поскольку, во-первых, светосбор сцинтилляций происходит в параллельных каналах, формируемых отдельными волокнами по всей ширине регистрируемого потока ионизирующего излучения, а, во-вторых, получаемая двумерная картина позволяет вести более точный анализ энергетического распределения электронов в регистрируемом потоке излучения. Сигнал с фоторегистратора 2 считывается блоком обработки сигналов 3.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного детектора электронного и бета-излучения является возможность регистрации не только электронного и бета-, но и позитронного излучения.