RU2045077C1

RU2045077C1 - Detecting unit for recording gamma-rays sources located in its field of vision

Info

Publication number: RU2045077C1
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Игнатьев; Ф.Х. Насыров; В.В. Якушин
Original assignee: Научно-исследовательский институт импульсной техники
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: inspection of soil samples for radioactive contamination. SUBSTANCE: use is made of two background radiation absorbers one of which is extremely light; unit also has light conductor with filler lead; internal background radiation sources are eliminated. EFFECT: provision for recording in presence of background radiation in addition to rays being recorded. 1 dwg

Description

Изобретение относится к регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения источников радиоактивного излучения, его регистрации и идентификации на местности, в пробах почвы, продуктах питания и т.п. The invention relates to the registration of ionizing radiation and can be used to detect sources of radioactive radiation, its registration and identification on the ground, in soil samples, food, etc.

Для этой цели необходимо устройство, имеющее направленную чувствительность, минимально возможную чувствительность к фоновому радиоактивному излучению того же состава, что и регистрируемое, т.е. высокое отношение полезного сигнала к фону, пригодное к ручной транспортировке, а также имеющее максимально возможную чувствительность по обнаружению источника радиоактивного излучения с конкретным спектром излучения. For this purpose, a device having directional sensitivity, the minimum possible sensitivity to background radioactive radiation of the same composition as the detected one, i.e. high ratio of useful signal to background, suitable for manual transportation, and also having the highest possible sensitivity for detecting a source of radioactive radiation with a specific radiation spectrum.

Известен детектирующий блок [1,2] для регистрации гамма-излучения, содержащий сцинтилляционный кристалл, оптически связанный светопроводом с фотоэлектронным умножителем и радиационную защиту, выполненную из свинца. Known detection unit [1,2] for detecting gamma radiation containing a scintillation crystal, optically coupled by a light guide to a photoelectron multiplier and radiation protection made of lead.

Недостатком этого блока является неудовлетворительное отношение регистрируемого излучения к фоновому. The disadvantage of this block is the unsatisfactory ratio of the recorded radiation to the background.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является детектирующий блок с направленной чувствительностью для регистрации гамма-излучения [3] содержащий оптически связанные на оптических контактах спектрометрический сцинтилляционный кристалл и спектрометрический фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), и первый поглотитель фонового излучения цилиндрической формы, в открытом торце которого расположен спектрометрический сцинтилляционный кристалл. В блоке [3] поглотитель фонового излучения выполнен в виде полого цилиндра с дном, внутри которого кроме кристалла расположен и ФЭУ. Диаметр полого цилиндра определяется размерами содержащихся внутри него элементов сцинтилляционного кристалла и ФЭУ. The closest technical solution to the invention is a detection unit with directional sensitivity for detecting gamma radiation [3] containing a spectrometric scintillation crystal and a spectrometric photoelectronic multiplier (PMT) optically coupled to optical contacts, and a first cylindrical background radiation absorber with an open end face located spectrometric scintillation crystal. In block [3], the background radiation absorber is made in the form of a hollow cylinder with a bottom, inside of which, in addition to the crystal, a PMT is also located. The diameter of the hollow cylinder is determined by the dimensions of the elements of the scintillation crystal and the PMT contained inside it.

В прототипе задача уменьшения внешнего фона решается путем резкого увеличения веса защиты при перекрытии внутренних элементов со всех сторон, кроме торца со сцинтилляционным кристаллом, и при использовании в качестве материала защиты свинца, т.е. для спектра гамма-излучения фона с энергией в несколько сот кэВ толщина защиты составляет примерно 10 см, а ее вес превышает 100 кг, что делает невозможным ручную транспортировку устройства. Кроме того, неудовлетворительным является отношение регистрируемого полезного излучения к фоновому, состоящему из излучения внешних и внутренних источников фонов, имеющихся и в прототипе, и в аналогах. Основным источником внутренних фонов является радиоактивный изотоп Калий-40, содержащийся в стекле оболочки сцинтилляционного кристалла и в ФЭУ, если это стекло изготовлено по обычной технологии. Попадая в сцинтилляционный кристалл, гамма-кванты Калия-40 с энергией 1,46 МэВ рождают в нем непрерывный спектр электронов, являющийся фоновым для всех радиоактивных гамма-источников с меньшей энергией. In the prototype, the task of reducing the external background is solved by a sharp increase in the weight of the protection when the internal elements are blocked from all sides, except for the end face with a scintillation crystal, and when lead is used as a material, i.e. for the gamma-ray spectrum of the background with an energy of several hundred keV, the thickness of the protection is about 10 cm and its weight exceeds 100 kg, which makes it impossible to transport the device manually. In addition, unsatisfactory is the ratio of the recorded useful radiation to the background, consisting of radiation from external and internal sources of backgrounds available both in the prototype and in analogues. The main source of internal backgrounds is the potassium-40 radioactive isotope contained in the glass of the shell of the scintillation crystal and in the PMT, if this glass is made by conventional technology. Getting into the scintillation crystal, potassium-40 gamma-quanta with an energy of 1.46 MeV give rise to a continuous spectrum of electrons in it, which is the background for all low-energy gamma-ray sources.

Таким образом, недостатками прототипа являются большой вес, определяющий невозможность ручной транспортировки устройства, и неудовлетворительное отношение регистрируемого излучения к фоновому. Thus, the disadvantages of the prototype are the large weight, which determines the impossibility of manual transportation of the device, and the unsatisfactory ratio of the recorded radiation to the background.

Целью изобретения является обеспечение возможности ручной транспортировки устройства и повышение отношения регистрируемого излучения к фоновому. The aim of the invention is to enable manual transportation of the device and increasing the ratio of the recorded radiation to the background.

Для этого в блок детектирования для регистрации гамма-излучения от источников, расположенных в поле его зрения, содержащий расположенный на оптических контактах спектрометрический сцинтилляционный кристалл первичный преобразователь, спектрометрический ФЭУ, первый поглотитель фонового излучения цилиндрической формы, в открытом торце которого расположен спектрометрический сцинтилляционный кристалл, введен второй поглотитель фонового излучения, расположенный между сцинтилляционным кристаллом и ФЭУ и выполненный в виде светопровода из стекла с присадкой свинца, первый поглотитель выполнен из материала большей плотности, чем свинец, например из вольфрама, и с ограниченной длиной с охватыванием сцинтилляционного кристалла и светопровода, сцинтилляционный кристалл, светопровод и ФЭУ содержит стекло с пониженным составом радиоактивных примесей, толщина сцинтилляционного кристалла d (0,5-1,5)l, где l средняя длина пробега гамма-квантов с энергией, характерной для регистрируемого излучения, в веществе сцинтилляционного кристалла. For this, a detection unit for detecting gamma radiation from sources located in its field of view, containing a spectrometric scintillation crystal located on the optical contacts, a primary transducer, a spectrometric photomultiplier, the first absorber of background radiation of a cylindrical shape, in the open end of which there is a spectrometric scintillation crystal, is introduced the second background radiation absorber located between the scintillation crystal and the PMT and made in the form of a light guide and of lead-added glass, the first absorber is made of a material of a higher density than lead, for example, tungsten, and with a limited length covering the scintillation crystal and optical fiber, the scintillation crystal, optical fiber, and PMT contains glass with a reduced composition of radioactive impurities, the thickness of the scintillation crystal d (0.5-1.5) l, where l is the mean free path of gamma rays with the energy characteristic of the detected radiation in the substance of the scintillation crystal.

Сущность изобретения заключается в том, что радиационная защита от внешних излучений источников фона выполнена из двух поглотителей: в передней части со стороны регистрируемого полезного излучения конструктивно радиационная защита совпадает с прототипом и отличается материалом первый поглотитель, для устранения облучения первичного преобразователя сцинтилляционного кристалла из задней полусферы блока использован второй поглотитель сравнительно небольшого веса светопровод из стекла с присадкой свинца. Его размеры значительно меньше, чем размеры удаленной части защиты прототипа, а удельный вес материала стекла с присадкой свинца значительно меньше, чем удельный вес свинца. Возможность уменьшения размеров второго поглотителя связана с размещением светопровода между первичным преобразователем и ФЭУ, так как при этом телесный угол перекрытия фонового излучения остается прежним, а расстояние второго поглотителя до первичного преобразователя уменьшается на длину ФЭУ. При этом поглощение света сцинтилляцией в светопроводе незначительно и не влияет на спектрометрические характеристики устройства. The essence of the invention lies in the fact that radiation protection from external radiation of background sources is made of two absorbers: in front of the side of the recorded useful radiation, the radiation protection is structurally the same as the prototype and the first absorber is different in material, to eliminate the irradiation of the scintillation crystal primary transducer from the back hemisphere of the block a second absorber of relatively low weight was used, a fiber optic fiber made of glass with a lead additive. Its dimensions are much smaller than the dimensions of the remote part of the prototype protection, and the specific gravity of the glass material with a lead additive is much smaller than the specific gravity of lead. The possibility of reducing the size of the second absorber is associated with the placement of the light guide between the primary converter and the PMT, since the solid angle of overlap of the background radiation remains the same, and the distance of the second absorber to the primary converter decreases by the length of the PMT. In this case, the absorption of light by scintillation in the fiber is insignificant and does not affect the spectrometric characteristics of the device.

Повышение чувствительности предлагаемого устройства к обнаружению радиоактивных источников гамма-излучения обеспечивается выбором толщины первичного преобразователя от половины до полутора пробегов гамма-квантов в веществе преобразователя для этой энергии, характерной для этих источников. Increasing the sensitivity of the proposed device to the detection of radioactive sources of gamma radiation is provided by the choice of the thickness of the primary transducer from half to one and a half runs of gamma rays in the substance of the transducer for this energy, characteristic of these sources.

В предлагаемом устройстве имеется светопровод, отсутствующий в прототипе, но имеющийся в аналогах, но в предлагаемом устройстве светопровод в отличие от аналогов выполняет несвойственную ему функцию и кроме передачи света выступает в роли радиационной защиты. In the proposed device there is a light guide that is not in the prototype, but available in analogs, but in the proposed device, the light guide, unlike analogs, performs an unusual function and, in addition to transmitting light, acts as radiation protection.

В известных решениях световод устанавливается между сцинтиллятором и ФЭУ в случае необходимости удаления их друг от друга. In known solutions, the fiber is installed between the scintillator and the PMT if it is necessary to remove them from each other.

На чертеже представлен предлагаемый блок детектирования. The drawing shows the proposed detection unit.

Блок детектирования содержит спектрометрический сцинтилляционный кристалл 1 NalTl (который на макете был оптимизирован к излучению Цезий-137 и имеет размеры 80 мм диаметр, 40 мм толщина), светопровод 2 стеклянный с присадкой стекла 3-5% по весу (на макете имеет размеры 80 мм диаметр, 20 мм толщина), ФЭУ 3, первый поглотитель 4 фонового излучения из вольфрама с плотностью в макете 18 г/см³, толщина стенки цилиндра в макете 20 мм, длина цилиндра 85 мм, вес 10 кг.The detection unit contains a 1 NalTl spectrometric scintillation crystal (which on the prototype was optimized for Cesium-137 radiation and has dimensions of 80 mm diameter, 40 mm thickness), a glass fiber 2 with a glass additive of 3-5% by weight (on the prototype has dimensions 80 mm diameter, 20 mm thickness), PMT 3, the first absorber 4 of background radiation from tungsten with a density in the layout of 18 g / cm ³ , the wall thickness of the cylinder in the layout of 20 mm, the length of the cylinder 85 mm, weight 10 kg.

Блок детектирования работает следующим образом. The detection unit operates as follows.

Регистрируемый эффект в виде гамма-излучения внешнего источника, расположенного в поле зрения устройства, поглощается в сцинтилляторе в основном в толщине одного пробега этого гамма-излучения. Увеличение толщины сцинтиллятора более толщины, равной одному пробегу, приводит к уменьшению отношения эффект/фон, особенно для толщины более полутора пробегов. Например, увеличение толщины сцинтиллятора в два раза с 40 мм повысило счет фона в 1,8 раз, а чувствительность к гамма-излучению Цезий-137 повысилась лишь в 1,29 раз. Выбор вольфрама в качестве вещества первого поглотителя и дополнительной защиты из свинцового стекла обеспечил снижение чувствительности к фоновому излучению в 5-7 раз. При этом общая масса блока детектирования составляет 12 кг. Наименьший уровень регистрируемой активности составил при этом 5 Бк при расположении источника на торце сцинтиллятора. The recorded effect in the form of gamma radiation from an external source located in the field of view of the device is absorbed in the scintillator mainly in the thickness of one path of this gamma radiation. An increase in the thickness of the scintillator over a thickness equal to one run leads to a decrease in the effect / background ratio, especially for a thickness of more than one and a half runs. For example, an increase in the scintillator thickness by a factor of two from 40 mm increased the background count by 1.8 times, and the sensitivity to gamma radiation of Cesium-137 increased by only 1.29 times. The choice of tungsten as a substance of the first absorber and additional protection from lead glass ensured a 5–7-fold decrease in sensitivity to background radiation. Moreover, the total mass of the detection unit is 12 kg. The lowest level of recorded activity was 5 Bq when the source was located on the end face of the scintillator.

Таким образом, предлагаемый блок детектирования может транспортироваться вручную и имеет хорошее отношение эффект/фон, что позволяет его использовать, например, для исследования проб почвы на радиоактивность. Thus, the proposed detection unit can be transported manually and has a good effect / background ratio, which allows it to be used, for example, to study soil samples for radioactivity.

Claims

DETECTING UNIT FOR REGISTRATION OF GAMMA RADIATION FROM SOURCES LOCATED IN ITS VISION FIELD, containing optically coupled spectrometric scintillation crystal and spectrometric photomultiplier tube (PMT), containing glass with a reduced content of radioactive impurities, the first absorber of which is located in the background and has an absorber in the form of radiation spectrometric scintillation crystal, characterized in that, in order to reduce weight and increase the ratio of useful radiation to pho new, a second absorber of background radiation is introduced into the unit, located between the scintillation crystal and the PMT, forming together with the first absorber open only to the side of the emitter protection, the second absorber is made in the form of a fiber with a lead additive in an amount of no more than 10 wt. the first absorber is made of a material with a density higher than the density of lead, the thickness of the scintillation crystal is chosen equal to d = (0.5 ^° C1.5) l, where l is the path length of gamma rays in the scintillator material with an energy characteristic of the detected radiation.