RU156517U1 - Scintillation Neutron Detector Sensor - Google Patents

Scintillation Neutron Detector Sensor Download PDF

Info

Publication number
RU156517U1
RU156517U1 RU2015124122/28U RU2015124122U RU156517U1 RU 156517 U1 RU156517 U1 RU 156517U1 RU 2015124122/28 U RU2015124122/28 U RU 2015124122/28U RU 2015124122 U RU2015124122 U RU 2015124122U RU 156517 U1 RU156517 U1 RU 156517U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillator
fiber
scintillation
photons
photodetector
Prior art date
Application number
RU2015124122/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Иванович Микеров
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority to RU2015124122/28U priority Critical patent/RU156517U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU156517U1 publication Critical patent/RU156517U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

Датчик сцинтилляционного нейтронного детектора, содержащий фотоприемное устройство, сцинтиллятор в форме цилиндра, внешняя цилиндрическая поверхность сцинтиллятора покрыта светоотражающей пленкой, параллельно оси сцинтиллятора расположен полый цилиндрический канал с размещенным в нем световодом, отличающийся тем, что содержит два фотоприемных устройства, соединенные оптически с противоположными торцами сцинтиллятора, световод выполнен в форме цилиндра с диаметром, сопоставимым с диаметром сцинтиллятора, и находится в оптическом контакте с поверхностью полого канала внутри сцинтиллятора, световод выполнен из материала, не сцинтиллирующего под действием ионизирующих излучений, прозрачного для света от сцинтилляционных вспышек, возникающих в сцинтилляторе, и обладающего коэффициентом преломления, максимально близким к коэффициенту преломления материала сцинтиллятора.A scintillation neutron detector sensor containing a photodetector, a cylinder-shaped scintillator, the outer cylindrical surface of the scintillator is covered with a reflective film, a hollow cylindrical channel with an optical waveguide located in it is located parallel to the scintillator axis, characterized in that it contains two photodetector devices connected optically to opposite ends of the scintillator , the fiber is made in the form of a cylinder with a diameter comparable to the diameter of the scintillator, and is located in the optical contact with the surface of the hollow channel inside the scintillator, the fiber is made of a material that is not scintillating under the action of ionizing radiation, transparent to light from scintillation bursts arising in the scintillator, and having a refractive index that is as close as possible to the refractive index of the scintillator material.

Description

Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использована при создании нейтронных детекторов, применяемых, в частности, в портальных мониторах, научных исследованиях, в геофизической аппаратуре нейтронного каротажа.The utility model relates to the field of registration of ionizing radiation and can be used to create neutron detectors used, in particular, in portal monitors, scientific research, and in geophysical neutron logging equipment.

Для регистрации тепловых нейтронов в основном применяются пропорциональные счетчики, основанные на ядерных реакциях 3He(n,p)3H, 10B(n,α)7 Li. Применяются также сцинтилляционные детекторы со сцинтиллятором, например, в виде монокристалла LiI или литий содержащего стекла, основным недостатком которых по сравнению с газовыми пропорциональными счетчиками является более высокая эффективность регистрации гамма излучения, обусловленная более высокой массовой нагрузкой твердотельного сцинтиллятора по сравнению с газовой средой в пропорциональном счетчике.For registration of thermal neutrons, proportional counters are mainly used based on the nuclear reactions 3 He (n, p) 3 H, 10 B (n, α) 7 Li. Scintillation detectors with a scintillator are also used, for example, in the form of a LiI single crystal or lithium-containing glass, the main disadvantage of which, in comparison with gas proportional counters, is a higher gamma-ray detection efficiency due to the higher mass load of the solid-state scintillator compared to the gas medium in the proportional counter .

Для регистрации быстрых нейтронов в основном применяются сцинтилляционные детекторы со сцинтиллятором на основе водородосодержащих веществ: кристаллов стильбена или антрацена, а также пластмасс.To register fast neutrons, scintillation detectors with a scintillator based on hydrogen-containing substances are mainly used: stilbene or anthracene crystals, as well as plastics.

При регистрации нейтронов сцинтилляционным детектором в присутствии фоновых излучений, например гамма, сцинтиллятор обычно выполнен в виде тонкой плоской шайбы или, как предлагается ниже, тонкостенного цилиндра. Это вызвано тем, что увеличение объема сцинтиллятора приводит к увеличению вклада в счет детектора фоновых излучений.When neutrons are detected by a scintillation detector in the presence of background radiation, such as gamma, the scintillator is usually made in the form of a thin flat washer or, as suggested below, a thin-walled cylinder. This is because an increase in the scintillator volume leads to an increase in the contribution to the background radiation detector.

В состав детекторов излучений входит датчик излучения. Датчиком излучения обычно считают чувствительный элемент (приемник), преобразующий излучение в пригодный для технического использования электрический сигнал.Radiation detectors include a radiation sensor. A radiation element is usually considered a sensitive element (receiver) that converts the radiation into an electrical signal suitable for technical use.

В случае сцинтилляционного детектора в состав датчика входит сцинтиллятор и фотоприемное устройство. В сцинтилляторе излучение вызывает сцинтилляционную вспышку, фотоны которой, попадая в фотоприемное устройство, преобразуются в электрический сигнал.In the case of a scintillation detector, a scintillator and a photodetector are included in the sensor. In the scintillator, the radiation causes a scintillation flash, the photons of which, getting into the photodetector, are converted into an electrical signal.

Известен «Позиционно-чувствительный трубчатый сцинтилляционный детектор» ("A position-sensitive tubular scintillator-based detector as an alternative to 3He-gas-based detector for neutron scattering instruments". NIM A. Vol. 741 (2014) 42-46), содержащий трубчатый сцинтиллятор ZnS/6LiF окруженный спиралью из спектросмещающего волокна. Аналог.The well-known "Position-sensitive tubular scintillation detector"("A position-sensitive tubular scintillator-based detector as an alternative to 3 He-gas-based detector for neutron scattering instruments". NIM A. Vol. 741 (2014) 42-46) containing a ZnS / 6 LiF tubular scintillator surrounded by a spectroscopic fiber helix. The analogue.

Недостатком аналога является низкая эффективность сбора сцинтилляционных фотонов на фотоприемник, обусловленная тем, что спектросмещающее волокно захватывает своей оболочкой и транспортирует к каждому из своих торцов не более 5% от всего количества образовавшихся в нем фотонов.A disadvantage of the analogue is the low efficiency of collecting scintillation photons on a photodetector, due to the fact that the spectroscopic fiber captures with its cladding and transports to each of its ends no more than 5% of the total number of photons formed in it.

Известен «Сцинтилляционный детектор», содержащий, по крайней мере, один датчик, состоящий из пластикового сцинтиллятора на основе органического водородосодержащего материала, чувствительного к нейтронам и нейтрино, светособирающего волоконного световода, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что пластиковый сцинтиллятор выполнен в форме цилиндра, покрытого светоотражающей пленкой, в центре которого имеется полый канал с размещенным в нем светособирающим волоконным световодом. Патент RU 2308056, МПК: G01T 3/06. 2007 г. Прототип.Known "Scintillation detector" containing at least one sensor, consisting of a plastic scintillator based on an organic hydrogen-containing material that is sensitive to neutrons and neutrinos, a light-collecting fiber, a photodetector and an electronic signal processing unit, characterized in that the plastic scintillator is made in the form of a cylinder coated with a retroreflective film, in the center of which there is a hollow channel with a light-collecting optical fiber placed in it. Patent RU 2308056, IPC: G01T 3/06. 2007 Prototype.

Недостатком прототипа является низкая эффективность световода, обусловленная существенным различием диаметров волоконного световода и сцинтиллятора, а также отсутствием оптического контакта между поверхностью полого канала внутри сцинтиллятора и волоконным световодом, следствием которого является наличие полного внутреннего отражения сцинтилляционных фотонов на этой поверхности.The disadvantage of the prototype is the low efficiency of the fiber, due to a significant difference in the diameters of the fiber and the scintillator, as well as the lack of optical contact between the surface of the hollow channel inside the scintillator and the fiber, the result of which is the presence of total internal reflection of scintillation photons on this surface.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности световода за счет применения световода, диаметр которого сопоставим с диаметром сцинтиллятора, а коэффициент преломления света максимально близок к коэффициенту преломления сцинтиллятора, а также за счет обеспечения оптического контакта между поверхностью полого канала внутри сцинтиллятора и световодом. Следствием чего является устранение полного внутреннего отражения сцинтилляционных фотонов на поверхности полого канала внутри сцинтиллятора и соответствующее уменьшение числа отражений фотонов при их транспортировке к фотоприемному устройству.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of the fiber through the use of a fiber whose diameter is comparable to the diameter of the scintillator and the light refractive index is as close as possible to the refractive index of the scintillator, as well as by providing optical contact between the surface of the hollow channel inside the scintillator and the fiber. The consequence of this is the elimination of the total internal reflection of scintillation photons on the surface of the hollow channel inside the scintillator and a corresponding decrease in the number of photon reflections during their transportation to the photodetector.

Технический результат достигается тем, что датчик сцинтилляционного нейтронного детектора, содержащий фотоприемное устройство, сцинтиллятор в форме цилиндра, внешняя цилиндрическая поверхность сцинтиллятора покрыта светоотражающей пленкой, параллельно оси сцинтиллятора расположен полый цилиндрический канал с размещенным в нем световодом, содержит два фотоприемных устройства, соединенные оптически с противоположными торцами сцинтиллятора, световод выполнен в форме цилиндра с диаметром сопоставимым с диаметром сцинтиллятора и находится в оптическом контакте с поверхностью полого канала внутри сцинтиллятора, световод выполнен из материала, не сцинтиллирующего под действием ионизирующих излучений, прозрачного для света от сцинтилляционных вспышек, возникающих в сцинтилляторе, и обладающего коэффициентом преломления максимально близким к коэффициенту преломления материала сцинтиллятора.The technical result is achieved in that the scintillation neutron detector sensor containing a photodetector, a scintillator in the shape of a cylinder, the outer cylindrical surface of the scintillator is covered with a reflective film, a hollow cylindrical channel with an optical fiber placed in it is located parallel to the scintillator, it contains two photodetector devices connected optically to opposite the ends of the scintillator, the fiber is made in the form of a cylinder with a diameter comparable to the diameter of the scintillator and oditsya in optical contact with the surface of the hollow channel within the scintillator, the light guide is made of a material not scintillating under ionizing radiation, is transparent to scintillation light flashes from occurring in the scintillator, and having a maximum refractive index close to the refractive index of scintillator material.

На Фиг. 1 показано устройство датчика с двумя фотоприемными устройствами, размещенными на противоположных торцах сцинтиллятора, в случае соосного расположения сцинтиллятора и световода.In FIG. 1 shows a sensor device with two photodetectors located on opposite ends of the scintillator, in the case of a coaxial arrangement of the scintillator and the optical fiber.

На Фиг. 2 показаны возможные траектории сцинтилляционных фотонов, распространяющихся в направлении торцов сцинтиллятора в отсутствии световода,In FIG. 2 shows the possible trajectories of scintillation photons propagating in the direction of the ends of the scintillator in the absence of a fiber,

где:Where:

1 - сцинтиллятор,1 - scintillator,

2 - светоотражающая пленка,2 - reflective film,

3 - поверхность полого канала внутри сцинтиллятора 1,3 - the surface of the hollow channel inside the scintillator 1,

4 - фотоприемные устройства,4 - photodetector devices,

5 - световод,5 - light guide

6 - сцинтилляционная вспышка,6 - scintillation flash,

7 - траектория фотонов, распространяющихся к торцам сцинтиллятора 1 в отсутствии световода 5 за счет отражения от светоотражающей пленки 2 и от поверхности 3.7 - trajectory of photons propagating to the ends of the scintillator 1 in the absence of a fiber 5 due to reflection from the reflective film 2 and from the surface 3.

8 - траектория фотонов, распространяющихся к торцам сцинтиллятора 1 в отсутствии световода 5 за счет отражения от светоотражающей пленки 2.8 - the trajectory of photons propagating to the ends of the scintillator 1 in the absence of a fiber 5 due to reflection from the reflective film 2.

На Фиг. 1 не показан блок питания фотоприемных устройств 4.In FIG. 1, the power supply unit of photodetectors 4 is not shown.

Датчик сцинтилляционного нейтронного детектора включает в себя:The scintillation neutron detector sensor includes:

сцинтиллятор 1 в форме цилиндра с внутренним каналом, ограниченным поверхностью 3;a scintillator 1 in the form of a cylinder with an internal channel bounded by a surface 3;

светоотражающую пленку 2, нанесенную на внешнюю поверхность сцинтиллятора 1;a reflective film 2 deposited on the outer surface of the scintillator 1;

световод 5 в форме цилиндра, размещенный в полом канале сцинтиллятора 1 и находящийся в оптическом контакте с поверхностью 3;a cylinder-shaped optical fiber 5 located in the hollow channel of the scintillator 1 and in optical contact with the surface 3;

фотоприемные устройства 4, соединенные оптически с торцами сцинтиллятора 1.photodetectors 4 connected optically to the ends of the scintillator 1.

Устройство работоспособно при наличии только одного фотоприемного устройства 4. Использование двух фотоприемных устройств 4 обеспечивает возможность определения координаты взаимодействия излучения со сцинтиллятором 1 вдоль его оси путем измерения амплитуд электрических сигналов, поступающих с обоих фотоприемных устройств. Отношение амплитуд сигналов определяется отношением расстояний от места взаимодействия до торцов сцинтиллятора 1.The device is operable if there is only one photodetector 4. The use of two photodetectors 4 provides the ability to determine the coordinates of the interaction of radiation with the scintillator 1 along its axis by measuring the amplitudes of the electrical signals coming from both photodetectors. The ratio of the amplitudes of the signals is determined by the ratio of the distances from the place of interaction to the ends of the scintillator 1.

Толщина цилиндрической стенки сцинтиллятора d выбирается исходя из обеспечения необходимой эффективности регистрации нейтронов, допустимою вклада в сигнал фоновых излучений, и уменьшения потерь сцинтилляционных фотонов при их транспортировке к фотоприемному устройству.The thickness of the cylindrical wall of the scintillator d is selected based on ensuring the necessary neutron detection efficiency, an acceptable contribution to the background radiation signal, and reducing the loss of scintillation photons during their transportation to the photodetector.

При регистрации тепловых нейтронов толщина стенки d сцинтиллятора 1, которая обеспечивает эффективное поглощение тепловых нейтронов, падающих на сцинтиллятор 1 извне, определяется соотношением:When registering thermal neutrons, the wall thickness d of the scintillator 1, which provides effective absorption of thermal neutrons incident on the scintillator 1 from the outside, is determined by the ratio:

Figure 00000002
Figure 00000002

где n, σ - соответственно, концентрация и сечение захвата теплового нейтрона для атомов, входящих в состав сцинтиллятора 1 и излучающих при этом заряженные частицы.where n, σ are, respectively, the concentration and capture cross section of the thermal neutron for atoms that are part of scintillator 1 and emit charged particles.

В случае сцинтиллятора 1 из литиевого стекла с весовой концентрацией лития около 6%, обогащенного изотопом 6Li до 95% толщина d, определяемая соотношением (1), составляет менее 1,5 мм. Коэффициент преломления света для такого стекла, выпускаемого фирмой Saint-Gobain Crystals, составляет 1,55.In the case of a lithium glass scintillator 1 with a lithium weight concentration of about 6%, enriched with 6 Li isotope up to 95%, the thickness d, defined by relation (1), is less than 1.5 mm. The light refractive index for such a glass manufactured by Saint-Gobain Crystals is 1.55.

Внешний диаметр сцинтиллятора 1 обычно составляет несколько сантиметров. В этом случае трубчатая форма сцинтиллятора 1, с одной стороны, обеспечивает эффективное поглощение тепловых нейтронов, а, с другой стороны, уменьшает возможный вклад фоновых излучений, регистрируемых сцинтиллятором в случае сцинтиллятора без внутренней полости.The outer diameter of the scintillator 1 is usually a few centimeters. In this case, the tubular shape of the scintillator 1, on the one hand, provides effective absorption of thermal neutrons, and, on the other hand, reduces the possible contribution of background radiation detected by the scintillator in the case of a scintillator without an internal cavity.

Длина сцинтиллятора 1 определяется поглощением сцинтилляционных фотонов в материале сцинтиллятора и их потерями при отражении от границ раздела, т.е. числом отражений N, которое сцинтилляционные фотоны испытывают на своем пути от места возникновения до фотоприемного устройства.The length of the scintillator 1 is determined by the absorption of scintillation photons in the scintillator material and their losses upon reflection from the interfaces, i.e. the number of reflections N, which scintillation photons experience on their way from the place of origin to the photodetector.

Эффективность сбора k сцинтилляционных фотонов, идущих в направлении одного из торцов сцинтиллятора 1, составляет:The collection efficiency k of scintillation photons going in the direction of one of the ends of the scintillator 1 is:

Figure 00000003
Figure 00000003

где R - коэффициент отражения от границы раздела между сцинтиллятором 1 и отражающей поверхностью,where R is the reflection coefficient from the interface between the scintillator 1 and the reflective surface,

L - расстояние вдоль оси сцинтиллятора 1, проходимое сцинтилляционными фотонами от места возникновения сцинтилляционной вспышки 6 до фотоприемного устройства 4,L is the distance along the axis of the scintillator 1 traveled by scintillation photons from the point of occurrence of the scintillation flash 6 to the photodetector 4,

l - среднее расстояние вдоль оси сцинтиллятора 1 между двумя последовательными отражениями сцинтилляционных фотонов.l is the average distance along the axis of the scintillator 1 between two successive reflections of scintillation photons.

Эффективность сбора k сцинтилляционных фотонов, идущих в направлении торца сцинтиллятора 1, максимальна в случае соосного расположения сцинтиллятора 1 и световода 5 и уменьшается при увеличении расстояния между их осями, но устройство при этом не теряет работоспособность.The efficiency of collecting k scintillation photons going in the direction of the end face of the scintillator 1 is maximum in the case of a coaxial arrangement of the scintillator 1 and the fiber 5 and decreases with increasing distance between their axes, but the device does not lose operability.

В отсутствии световода 5 фотоны от сцинтилляционных вспышек 6, возникших в сцинтилляторе 1, транспортируются к его торцам по траекториям двух типов (Фиг. 2):In the absence of optical fiber 5, photons from scintillation flashes 6 arising in scintillator 1 are transported to its ends along two types of trajectories (Fig. 2):

1) По траекториям 7 идут фотоны, падающие на границу раздела между сцинтиллятором 1 и воздухом на поверхности 3 под достаточно малым углом. Они распространяются по объему сцинтиллятора, испытывая отражения, с одной стороны, от светоотражающей пленки 2, а с другой стороны, за счет полного внутреннего отражения от границы раздела между сцинтиллятором 1 и воздухом на поверхности 3.1) Photons falling along trajectories 7 are incident on the interface between the scintillator 1 and air on surface 3 at a fairly small angle. They propagate throughout the scintillator volume, experiencing reflections, on the one hand, from the reflective film 2, and on the other hand, due to total internal reflection from the interface between the scintillator 1 and air on surface 3.

2) По траекториям 8 идут фотоны, падающие на границу раздела между сцинтиллятором 1 и воздухом на поверхности 3 под достаточно большим углом. Эти фотоны выходят в полый канал внутри сцинтиллятора 1, испытывая преломление на поверхности 3, и отражаются только от светоотражающей пленки 2.2) Photons falling along trajectories 8 are incident on the interface between the scintillator 1 and the air on surface 3 at a sufficiently large angle. These photons exit into the hollow channel inside the scintillator 1, experiencing refraction on the surface 3, and are reflected only from the reflective film 2.

Расчеты показывают, что в случае сцинтиллятора 1, выполненного из литиевого стекла с коэффициентом преломления n=1,55, полное внутреннее отражение на границе раздела между сцинтиллятором 1 и воздухом на поверхности 3 испытывают сцинтилляционные фотоны излученные под углом в диапазоне от 0° до ≈50° по отношению к этой поверхности. Доля таких фотонов от полного числа излученных сцинтилляционных фотонов составляет около 36%.Calculations show that in the case of scintillator 1 made of lithium glass with a refractive index n = 1.55, scintillation photons emitted at an angle in the range from 0 ° to ≈50 experience total internal reflection at the interface between scintillator 1 and air on surface 3 ° in relation to this surface. The fraction of such photons from the total number of emitted scintillation photons is about 36%.

В случае сцинтиллятора 1 с толщиной стенки d=1,5 мм и внешним диаметром 30 мм среднее расстояние между двумя последовательными отражениями l1 для фотонов, идущих по траекториям 7, равно, примерно, 2,3 мм. В то время, как для фотонов, идущих по траекториям 8, l2≈32 мм.In the case of scintillator 1 with a wall thickness d = 1.5 mm and an external diameter of 30 mm, the average distance between two successive reflections l 1 for photons traveling along trajectories 7 is approximately 2.3 mm. At the same time, as for photons traveling along trajectories of 8, l 2 ≈32 mm.

При оценке эффективности сбора k сцинтилляционных фотонов, идущих в направлении торца сцинтиллятора 1 по траекториям 7 и 8, в отсутствии световода 5, предполагалось, что:When evaluating the efficiency of collecting k scintillation photons going in the direction of the end face of scintillator 1 along trajectories 7 and 8, in the absence of optical fiber 5, it was assumed that:

- сцинтиллятор 1 выполнен из литиевого стекла с коэффициентом преломления n=1,55;- the scintillator 1 is made of lithium glass with a refractive index of n = 1.55;

- коэффициенты отражения от светоотражающей пленки 2 и при полном внутреннем отражении на границе раздела между сцинтиллятором 1 и воздухом равны и составляют R=0,98;- the reflection coefficients from the retroreflective film 2 and with total internal reflection at the interface between the scintillator 1 and the air are equal and are R = 0.98;

- расстояние от места возникновения сцинтилляционной вспышки 6 до фотоприемного устройства 4 составляет L=100 мм;- the distance from the place of occurrence of the scintillation flash 6 to the photodetector 4 is L = 100 mm;

- поглощение сцинтилляционных фотонов в сцинтилляторе пренебрежимо мало;- the absorption of scintillation photons in the scintillator is negligible;

- сцинтиллятор 1 и световод 5 соосны.- scintillator 1 and fiber 5 are aligned.

В этом случае эффективность сбора к сцинтилляционных фотонов, идущих в направлении торца сцинтиллятора 1 по траекториям 7, в соответствии с выражением (2), составляет k≈41%, а для сцинтилляционных фотонов, идущих по траекториям 8, k≈0,92%, т.е. примерно в 2.2 раза выше.In this case, the collection efficiency for scintillation photons traveling in the direction of the end face of scintillator 1 along trajectories 7, in accordance with expression (2), is k≈41%, and for scintillation photons traveling along trajectories 8, k≈0.92%, those. about 2.2 times higher.

Из выражения (2) следует, что отношение эффективностей сбора F для двух типов траекторий определяется соотношением:From the expression (2) it follows that the ratio of the collection efficiency F for two types of trajectories is determined by the ratio:

Figure 00000004
Figure 00000004

Из (3) видно, что при

Figure 00000005
, т.е. отношение эффективностей сбора для двух типов траекторий, т.е. эффективность световода тем выше, чем больше R, L и меньше l1.From (3) it is clear that for
Figure 00000005
, i.e. ratio of collection efficiencies for two types of trajectories, i.e. the fiber efficiency is higher, the more R, L and less than l 1 .

Введение в устройство датчика световода 5 в форме цилиндра, находящегося в оптическом контакте со сцинтиллятором 1 и выполненного из материала с максимально близким коэффициентом преломления, приводит к тому, что фотоны, идущие в отсутствии световода 5 по траекториям 7, перестают испытывать полное внутреннее отражение на поверхности 3 и транспортируются к торцам сцинтиллятора 1 по траекториям, аналогичным траекториям 8.The introduction into the sensor device of the optical fiber 5 in the form of a cylinder, which is in optical contact with the scintillator 1 and made of a material with as close as possible refractive index, leads to the fact that the photons traveling in the absence of the optical fiber 5 along the paths 7 cease to experience total internal reflection on the surface 3 and are transported to the ends of the scintillator 1 along trajectories similar to trajectories 8.

Поскольку доля фотонов, идущих по траекториям 7, в случае сцинтиллятора 1 из литиевого стекла составляет ≈36%, то и максимальный возможный выигрыш от применения световода 5 в числе фотонов, дошедших до фотоприемного устройства 4, при условии пренебрежимо малого поглощения фотонов в сцинтилляторе и световоде, также может достигать ≈36%.Since the fraction of photons traveling along trajectories 7 in the case of scintillator 1 made of lithium glass is ≈36%, the maximum possible gain from the use of optical fiber 5 among the photons that reached photodetector 4 is subject to a negligible absorption of photons in the scintillator and optical fiber can also reach ≈36%.

Выигрыш от применения световода будет еще выше в случае, когда нельзя пренебречь поглощением фотонов в сцинтилляторе, т.е. при достаточно большой длине сцинтиллятора 1 или сравнительно малой величине d.The gain from the use of a fiber will be even higher when the absorption of photons in the scintillator cannot be neglected, i.e. with a sufficiently large scintillator length 1 or a relatively small value of d.

В случае применения вместо цилиндрического световода 5 волоконного световода вероятность того, что сцинтилляционный фотон попадет в волоконный световод, а не испытает отражение от светоотражающей пленки 2, крайне мала. Эта вероятность определяется отношением площади поверхности волоконного световода к площади наружной поверхности сцинтиллятора 1, которые соотносятся как соответствующие диаметры. При этом следует учитывать, что диаметр волоконного световода обычно не превышает 100 мкм (Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. Специальные волоконные световоды. Изд. Пермского нац. иссл. политех, университета. 2011. http://dic.academic.ru). В то время как диаметр сцинтиллятора 1 обычно составляет около двух сантиметров (Сцинтилляторы и контейнеры детекторов ионизирующих излучений. ГОСТ 27841-88. http: //standartgost.ru).If instead of a cylindrical waveguide 5, a fiber waveguide is used, the probability that the scintillation photon will fall into the fiber waveguide and not experience reflection from the reflective film 2 is extremely small. This probability is determined by the ratio of the surface area of the fiber to the area of the outer surface of the scintillator 1, which are related as corresponding diameters. It should be borne in mind that the diameter of the fiber is usually not more than 100 microns (DB Shumkova, AE Levchenko. Special fiber optic fibers. Publishing house of the Perm National Research Polytechnic, University. 2011. http: // dic. academic.ru). While the diameter of the scintillator 1 is usually about two centimeters (Scintillators and containers of ionizing radiation detectors. GOST 27841-88. Http: //standartgost.ru).

Отсутствие оптического контакта между поверхностью волоконного световода и поверхностью 3 полого канала внутри сцинтиллятора 1 еще больше уменьшает эффективность волоконного световода из-за того, что в него не попадают сцинтилляционные фотоны, испытывающие полное внутреннее отражение на поверхности 3.The absence of optical contact between the surface of the optical fiber and the surface 3 of the hollow channel inside the scintillator 1 further reduces the efficiency of the optical fiber due to the fact that scintillation photons that experience total internal reflection on the surface 3 do not fall into it.

Даже при наличии оптического контакта между поверхностью волоконного световода и поверхностью 3 отражение сцинтилляционных фотонов может происходить от поверхности волоконного световода, если коэффициент преломления оболочки волоконного световода отличается от коэффициента преломления сцинтиллятора 1.Even if there is optical contact between the surface of the optical fiber and surface 3, scintillation photons can be reflected from the surface of the optical fiber if the refractive index of the cladding of the optical fiber differs from the refractive index of scintillator 1.

Помимо перечисленного, волоконный световод достаточно эффективен лишь в случае применения, так называемого, спектросмещающего волокна ("'А position-sensitive tubular scintillator-based detector as an alternative to 3He-gas-based detector for neutron scattering instruments". NIM A. Vol. 741 (2014) 42-46).In addition to the above, a fiber light guide is quite effective only in the case of the use of the so-called spectroscopic fiber ("'A position-sensitive tubular scintillator-based detector as an alternative to 3 He-gas-based detector for neutron scattering instruments". NIM A. Vol 741 (2014) 42-46).

Для обеспечения максимальной близости коэффициентов преломления сцинтиллятора и световода оба они могут быть изготовлены из одного материала, отличающегося в случае сцинтиллятора наличием, а в случае световода отсутствием активной добавки, обеспечивающей возникновение люминесцентной вспышки.To ensure maximum proximity of the refractive indices of the scintillator and the fiber, both of them can be made of the same material, which differs in the presence of a scintillator and, in the case of a fiber, by the absence of an active additive, which ensures the appearance of a luminescent flash.

В случае литиевого сцинтиллирующего стекла такой добавкой может быть изотоп 6Li, который захватывает тепловые нейтроны, приводя к рождению в сцинтилляторе заряженных частиц. В световоде изотоп 6Li может быть заменен изотопом 7Li, не поглощающим нейтроны. Тот же результат может быть получен за счет присутствия или отсутствия атомов активатора оптической люминесценции, в данном случае атомов церия.In the case of lithium scintillating glass, such an additive may be the 6 Li isotope, which traps thermal neutrons, leading to the creation of charged particles in the scintillator. In a fiber, the 6 Li isotope can be replaced by the 7 Li isotope, which does not absorb neutrons. The same result can be obtained due to the presence or absence of atoms of the optical luminescence activator, in this case cerium atoms.

В случае органических сцинтилляторов активной добавкой являются красители, вводимые в сцинтиллятор в очень малых (менее 1%) количествах, которые могут не вводиться в состав световода.In the case of organic scintillators, the active additive is dyes that are introduced into the scintillator in very small (less than 1%) quantities, which may not be introduced into the fiber.

С целью уменьшения вклада в сигнал датчика фоновых излучений материал световода 5 не должен сцинтиллировать под действием этих излучений. Помимо этого, для уменьшения потерь сцинтилляционных фотонов внутри световода 5 его материал должен быть достаточно прозрачен для спектра излучения сцинтиллятора 1.In order to reduce the contribution of the background radiation to the sensor signal, the fiber material 5 should not scintillate under the influence of these radiation. In addition, to reduce the loss of scintillation photons inside the fiber 5, its material should be sufficiently transparent for the radiation spectrum of scintillator 1.

Все перечисленные условия выполняются, например, в случае сцинтиллятора, изготовленного из литиевого стекла, активированного церием, и световода, выполненного из того же стекла, но содержащего вместо изотопа 6Li изотоп 7Li и не содержащего церий.All these conditions are fulfilled, for example, in the case of a scintillator made of lithium glass activated by cerium and a fiber made of the same glass but containing instead of the 6 Li isotope 7 isotope and not containing cerium.

Датчик сцинтилляционного нейтронного детектора работает следующим образом.The scintillation neutron detector sensor operates as follows.

На сцинтиллятор 1 датчика падает нейтронное излучение. Нейтроны, попавшие в сцинтиллятор 1, рождают в нем заряженные частицы, которые возбуждают сцинтиллятор и вызывают в нем сцинтилляционные вспышки 6.Neutron radiation is incident on the scintillator 1 of the sensor. Neutrons entering the scintillator 1 give rise to charged particles in it, which excite the scintillator and cause scintillation bursts in it 6.

Сцинтилляционные фотоны от сцинтилляционных вспышек 6, идут во все стороны и транспортируются к обоим торцам сцинтиллятора 1 за счет отражения от светоотражающей пленки 2. При этом сцинтилляционные фотоны свободно пересекают поверхность 3 и проходят по световоду 5.Scintillation photons from scintillation flashes 6 go in all directions and are transported to both ends of the scintillator 1 due to reflection from the reflective film 2. In this case, the scintillation photons freely cross surface 3 and pass through the optical fiber 5.

Сцинтилляционные фотоны, дошедшие до одного из торцов сцинтиллятора 1 или световода 5, попадают в фотоприемное устройство 4, вызывая на его выходе появление электрического сигнала (импульса), который поступает далее на схему обработки сигнала (на Фиг. 1 схема не показана).Scintillation photons reaching one of the ends of the scintillator 1 or the optical fiber 5 enter the photodetector 4, causing an electric signal (pulse) to appear at its output, which then goes to the signal processing circuit (the circuit is not shown in Fig. 1).

Claims (1)

Датчик сцинтилляционного нейтронного детектора, содержащий фотоприемное устройство, сцинтиллятор в форме цилиндра, внешняя цилиндрическая поверхность сцинтиллятора покрыта светоотражающей пленкой, параллельно оси сцинтиллятора расположен полый цилиндрический канал с размещенным в нем световодом, отличающийся тем, что содержит два фотоприемных устройства, соединенные оптически с противоположными торцами сцинтиллятора, световод выполнен в форме цилиндра с диаметром, сопоставимым с диаметром сцинтиллятора, и находится в оптическом контакте с поверхностью полого канала внутри сцинтиллятора, световод выполнен из материала, не сцинтиллирующего под действием ионизирующих излучений, прозрачного для света от сцинтилляционных вспышек, возникающих в сцинтилляторе, и обладающего коэффициентом преломления, максимально близким к коэффициенту преломления материала сцинтиллятора.
Figure 00000001
A scintillation neutron detector sensor containing a photodetector, a cylinder-shaped scintillator, the outer cylindrical surface of the scintillator is covered with a reflective film, a hollow cylindrical channel with an optical waveguide located in it is located parallel to the scintillator axis, characterized in that it contains two photodetector devices connected optically to opposite ends of the scintillator , the fiber is made in the form of a cylinder with a diameter comparable to the diameter of the scintillator, and is located in the optical contact with the surface of the hollow channel inside the scintillator, the fiber is made of a material that is not scintillating under the action of ionizing radiation, transparent to light from scintillation bursts arising in the scintillator, and having a refractive index as close as possible to the refractive index of the scintillator material.
Figure 00000001
RU2015124122/28U 2015-06-22 2015-06-22 Scintillation Neutron Detector Sensor RU156517U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015124122/28U RU156517U1 (en) 2015-06-22 2015-06-22 Scintillation Neutron Detector Sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015124122/28U RU156517U1 (en) 2015-06-22 2015-06-22 Scintillation Neutron Detector Sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU156517U1 true RU156517U1 (en) 2015-11-10

Family

ID=54536676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015124122/28U RU156517U1 (en) 2015-06-22 2015-06-22 Scintillation Neutron Detector Sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU156517U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO346014B1 (en) Apparatus and method for detecting radiation comprising neutrons and gamma rays
Lee et al. Measurements and elimination of Cherenkov light in fiber-optic scintillating detector for electron beam therapy dosimetry
CN106291657A (en) A kind of based on the radiant spectral analysis system closing bundle flash fiber
RU156517U1 (en) Scintillation Neutron Detector Sensor
Reiffel et al. Some considerations on luminescent fiber chambers and intensifier screens
US9702984B1 (en) Long-distance transmission of light in a scintillator-based radiation detector
Takada et al. Neutron radiation distribution sensor using flexible plastic scintillating fiber combined with the time-of-flight technique
RU2408902C1 (en) Two-dimensional detector
Artikov et al. Optimization of light yield by injecting an optical filler into the co-extruded hole of the plastic scintillation bar
RU2190240C2 (en) Scintillation detector
RU2570588C2 (en) Neutron detector
Dudnik et al. A detector on the basis of an activated p-terphenyl single crystal and a silicon photomultiplier
RU161514U1 (en) DETECTOR BLOCK
Zhang et al. Discriminating cosmic muons and radioactivity using a liquid scintillation fiber detector
RU2371740C1 (en) Hodoscope
RU119130U1 (en) SCINTILLATION NEUTRON DETECTOR
RU2663307C1 (en) Position-sensitive radiation detector
Lee et al. Fabrication of fiber-optic radiation sensor tips with inorganic scintillator for remote sensing of X or/spl gamma/-ray
RU2814061C1 (en) Scintillation detector of neutron and gamma radiation
CN214750858U (en) Plastic scintillation probe for measuring directional dose equivalent rate at 7mm depth based on SiPM
Kim et al. Development of compact and real-time radiation detector based on SiPM for gamma-ray spectroscopy
RU79681U1 (en) EXPRESS DETECTOR
RU166127U1 (en) POSITIVE-SENSITIVE DETECTOR
Nohtomi et al. On-line evaluation of spatial dose-distribution by using a 15m-long plastic scintillation-fiber detector
RU119131U1 (en) SCINTILLATION DETECTOR OF ELECTRONS AND BETA RADIATION