RU162878U1

RU162878U1 - Позиционно-чувствительный детектор гамма-излучения

Info

Publication number: RU162878U1
Application number: RU2015141573/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Каплун; Владимир Александрович Идалов; Ирина Константиновна Боркут; Андрей Владимирович Клементьев
Original assignee: Андрей Александрович Каплун
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2016-06-27

Abstract

1. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения, содержащий сцинтилляционные кристаллы, в виде узких цилиндров или параллелепипедов, расположенные группами по сферической поверхности, образующей границы детектора, таким образом, что внешняя, расположенная дальше от центра детектора грань каждого сцинтилляционного кристалла расположена в плоскости, касательной к сферической поверхности, образующей границы детектора, а центральная ось кристалла направлена по радиусу к центру сферической поверхности.2. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п. 1, отличающийся тем, что кристаллы каждой группы расположены в единой плоскости, проходящей через центр сферической поверхности, образующей границы детектора, их центральные оси также находятся в данной плоскости.3. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя, расположенная ближе к центру детектора поверхность каждого кристалла оптически сочленена с собственным фотоприемником, а в качестве фотоприемника используются кремниевые фотоэлектронные умножители.

Description

МПК G01T 1/20.

ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к сцинтилляционным детекторам, предназначенная для регистрации гамма-излучения и может быть использована для создания высокоэффективных поисковых комплексов для локализации источником гамма-излучения.

Полезная модель может быть применена для поиска ядерных материалов и радиоактивных веществ по их гамма-излучению с определенной высоты над поверхностью земли как с простым, так и со сложным рельефом. Полезная модель может быть также применена в составе комплексов радиационного картографирования местности для составления объемной карты дозных полей с нанесенными на ней локальными источниками гамма-излучения, определения границ радиоактивного заражения, дистанционного измерения мощности экспозиционной дозы. Для перемещения и позиционирования полезной модели в пространстве может применяться беспилотный или пилотируемый летательный аппарат. Гамма-детектор должен иметь высокую эффективность регистрации гамма-излучения, высокую точность и селективность определения направления для исследования поверхности на предмет наличия источников гамма-излучения за максимально короткое время.

Известен способ обнаружения источников ионизирующих излучений (ИИИ) наземными или морскими мобильными комплексами радиационного контроля и стационарными устройствами радиационного контроля для поиска, обнаружения и локализации ИИИ [3]. Сущность изобретения [3] заключается в том, что способ поиска, обнаружения и локализации (определения местоположения) ИИИ путем определения точки пересечения обнаруженных линий-направлений на ИИИ из двух различных мест с использованием устройств детектирования, снабженных экранами-поглотителями излучения, и поворотной платформы.

Известна многомодульная система с анизотропной чувствительностью регистрирующих модулей (ММДУ) [1][4][5]. Модель, предназначенная для ускоренного поиска источников гамма-излучения, включает в себя четыре регистрирующих модуля (сцинтилляционных блока) каждый весом около 3 кг, разделенных ослабляющим излучение экраном. Система детекторов располагается на плоскости. Точечный источник находится на некотором расстоянии от системы детекторов. По интенсивности излучения, регистрируемом каждым регистрирующим модулем отдельно, и с помощью компьютерной обработки результатов, можно определить направления на один или несколько непротяженных источников излучения.

Недостатком обеих описанных систем можно считать то, что, во-первых, в каждой системе используются несколько детекторов разнесенных на плоскости, а во-вторых эти системы детекторов работает только на плоскости. При сложном рельефе точные измерения провести невозможно.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является аппаратура эксперимента «КОНУС-РФ» [2], представляющая собой сцинтилляционный гамма-спектрометр, состоящий из двух идентичных детекторов гамма-квантов и электронных блоков регистрации и предварительной обработки сигналов детекторов. Детекторы размещены на космическом аппарате таким образом, что ось поля зрения одного из детекторов направлена на Солнце. Второй детектор осматривает антисолнечную небесную полусферу. То есть два детектора разнонаправленны. Каждый детектор содержит высокотехнологичный спектрометрический сцинтилляционный кристалл NaI(Tl) диаметром 130 мм и высотой 75 мм, помещенный в тонкостенный алюминиевый контейнер с бериллиевым входным окном и выходным окном из свинцового стекла высокой прозрачности для защиты от фона космического аппарата в мягкой области спектра. Измерительные тракты солнечного и антисолнечного детекторов аппаратуры «Конус-РФ» функционируют полностью независимо. Информация от двух детекторов выводится в два разных цифровых источника. Известный сцинтилляционный гамма-спектрометр, состоящий из двух детекторов предназначен для космического использования и не применяется в наземных условиях, т.к. имеет малое количество детектирующих модулей, что, применимо к исследованиям земной поверхности ввиду конструкции детектора, сильно уменьшает площадь видимости детектора.

Раскрытие полезной модели. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение селективности и скорости обнаружения источника гамма-излучения.

Данная задача решается за счет того, что в позиционно-чувствительном детекторе гамма-излучения, содержащий сцинтилляционные кристаллы, чувствительные к гамма-излучению, в форме протяженного цилиндра или параллелепипеда с длиной L, шириной W и толщиной H, расположены по сегменту сферической поверхности, задающей кривизну поверхности детектора, в одной или нескольких плоскостях, проходящих через геометрический центр сферической поверхности, с равномерными интервалами вдоль дуги периметра окружности и осью длинной стороны каждого кристалла направленной в геометрический центр сферической поверхности, каждый кристалл одной боковой гранью оптически сочленен с собственным фотоприемником в качестве которого используется кремниевый фотоэлектронные умножители и отличающийся тем, что длина и ширина и толщина сцинтилляционного кристалла подобрана таким образом, что вероятность попадания и регистрации гамма-кванта в торец кристалла, перпендикулярный к радиусу окружности размещения кристаллов, многократно меньше вероятности попадания и регистрации гамма-кванта, попавшему в кристалл через боковую поверхность.

При перемещении детектора таким образом, что направление на источник излучения совпадет с центральной осью одного из кристаллов число событий, зарегистрированных кремниевый фотоэлектронным умножителем, оптически сочлененном с данным кристаллом будет резко уменьшаться по сравнению с соседними кристаллами, фиг.5. Эта особенность объясняется следующим: при выборе длины кристалла L заведомо большей, чем ширина W и ориентацией детектора таким образом, что центральный регистрирующий сцинтилляционный кристалл сориентирован над источником ионизирующего излучения, то путь, пройденный частицей в регистрирующем кристалле, будет очень сильно зависеть от номера кристалла, т.е. от угла под которым он ориентирован относительно потока частиц. Максимальный пробег х частицы для произвольного кристалла будет приблизительно равен:

где n - номер элемента, Q - угол раскрытия детектора (угол между крайними кристаллами одной группы), N - количество кристаллов в одной группе в детектора. При приближении угла, под которым кристалл ориентирован относительно потока частиц к значению

величина

будет резко расти, приближаясь к значению L.

В то же время, площадь боковой проекции

регистрирующего элемента на поверхность с находящимся на ней источником будет быстро уменьшаться по закону:

Для центрального элемента она будет равна площади торца, т.е. ~ W*H, что при условии (W и H) << L дает нам значительно меньшую поверхность. Таким образом, хотя максимальный пробег частицы в детекторе будет возрастать, и большая часть ее энергии будет конвертироваться в фотоны, это будет нивелироваться уменьшением потока частиц через элементы детектора, ориентированные торцом в сторону источника, что и показано на фиг.4.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью существенных признаков, является повышение точности определения направления на источник излучения за счет уменьшения угла между осями длинных сторон соседних кристаллов и увеличения количества кристаллов, резкое уменьшение с скорости счета на от одного из них указывает на преимущественное попадание гамма-квантов от искомого источника в торцевую грань такого кристалла, расположенную перпендикулярно к радиусу окружности размещения кристаллов и, соответственно, определяет вектор на искомый источник излучения.

Количество сцинтилляционных кристаллов в одной плоскости нечетно, что позволяет получить один центральный кристалл, расположенный вдоль оси симметрии детектора, что в свою очередь позволяет повысить точность определения местоположения источника перемещая детектор таким образом, чтобы добиться уменьшения количества зарегистрированных событий в канале центрального кристалла. Для большего усиления данного результата возможно расположение с внешней стороны перед торцевой гранью центрального кристалла непрозрачного для гамма-излучения материала. Так же боковые стенки столбцов сцинтиллирующих кристаллов могут быть покрыты отражающим и/или непрозрачным для света слоем, что повлияет на изменение селективности данного детектора в сторону увеличения.

В частном случае детектор выполнен в варианте с расположением регистрирующих сцинтилляционных кристаллов вдоль одной плоскости, но может быть также изготовлен с расположенными в нескольких плоскостях кристаллами, как показано на фиг.3. Расположение кристаллов в нескольких плоскостях позволяет упростить и ускорить сканирование пространства на предмет поиска источника гамма-излучения, что в случае использования кристаллов, расположенных в одной плоскости приводит к необходимости вращения детектора вокруг центральной оси серединного кристалла.

Поскольку патентные исследования не выявили источников информации, порочащих новизну совокупности существенных признаков заявленной полезной модели, то она соответствует условиям патентоспособности, установленным статьей 1351 ГК РФ.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема позиционно-чувствительного детектора гамма-излучения, который содержит 1 - сцинтилляционный кристалл, 2 - кремниевые фотоэлектронные умножители, 3 - траектория расположения кристаллов в одной из плоскостей и 4 - направление оси сцинтилляционного кристалла.

На фиг. 2 наглядно представлено расположение сцинтилляционных кристаллов в одной из плоскостей.

На фиг. 3 представлено расположение сцинтилляционных кристаллов на двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих центр сферы, по внешней стороне сегмента которой располагаются все сцинтилляционные кристаллы детектора.

Зависимости, представленные на фиг.4 и фиг.5, получены в результате численного моделирования прохождения гамма-излучения, испускаемого изотопом Cs-137 через предложенный детектор и его регистрации.

На фиг. 4 представлена зависимость зарегистрированных кристаллами (элементами) детектора событий при расположении детектора над источником излучения вдоль вертикальной оси симметрии детектора в зависимости от материала изготовления кристалла и номера регистрирующего элемента.

На фиг. 5 представлена зависимость зарегистрированных кристаллами (элементами) детектора событий при смещении источника излучения относительно центральной оси детектора, которая также является центральной осью среднего элемента (на графике этот элемент имеет нулевой номер), вправо.

Как следует из данных, представленных в графическом виде на фиг.5, источник определяется в направлении центральной оси девятого элемента.

Источники информации

1. Лэй Вин, В. В. Кадилин, Г. Л. Деденко, Ней Мьо У, В. Т Самосадный, Исследование отклика ММДУ с различными защитными экранами при регистрации потоков γ излучения// Научная сессия МИФИ-2008. Сб. научных трудов. Том 3, М.: МИФИ, 2008, С. 177-179.

2. V. D. Pal'shina, Yu. E. Charikova, R. L. Aptekar, S. V. Golenetskii, A. A. Kokomov, D. S. Svinkin, Z. Ya. Sokolova, M. V. Ulanova, D. D. Frederiks and A. E. Tsvetkova, Konus-Wind and Helicon-Coronas-F Observations of Solar Flares, GEOMAGNETISM AND AERONOMY Vol. 54 No. 7 2014

3. Благовещенский М.Н., Кулизнев А.А., Разумова И.Н., Шутов О.Н., «Способ поиска, обнаружения и локализации источников ионизирующих излучений». Патент № RU 2562142 C1, 11.03.2014

4. Лэй Вин, Г. Л. Деденко, В. В. Кадилин, С. В. Исаков, Исследование угловых характеристик многомодульных детектирующих устройств// № 4-08, Ядерные измерительно-информационных технологии С. 25

5. Лэй Вин, В. В. Кадилин, Г. Л. Деденко, Тант Зин, Исследование характеристик панорамного датчика, предназначенного для ускоренного поиска источников γ- излучения// XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008». Сб. тезисов, М.: Физический факультет МГУ, 2008, С. 19-20.

6. Дровников В.В. и др. Аэрогамма-спектрометрия с высоким разрешением как средство оперативного контроля радиационной обстановки в окружающей среде. Препр. № 029-95. М.: МИФИ, 1995.

7. Горохова Е.И., Тюрин Г.П., Христич О.А. «Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц». Патент № RU 2173469 C2, 14.05.1999г.

Claims

1. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения, содержащий сцинтилляционные кристаллы, в виде узких цилиндров или параллелепипедов, расположенные группами по сферической поверхности, образующей границы детектора, таким образом, что внешняя, расположенная дальше от центра детектора грань каждого сцинтилляционного кристалла расположена в плоскости, касательной к сферической поверхности, образующей границы детектора, а центральная ось кристалла направлена по радиусу к центру сферической поверхности.

2. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п. 1, отличающийся тем, что кристаллы каждой группы расположены в единой плоскости, проходящей через центр сферической поверхности, образующей границы детектора, их центральные оси также находятся в данной плоскости.

3. Сцинтилляционный детектор гамма-излучения по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя, расположенная ближе к центру детектора поверхность каждого кристалла оптически сочленена с собственным фотоприемником, а в качестве фотоприемника используются кремниевые фотоэлектронные умножители.