RU2354995C1 - Two-dimensional prism detector - Google Patents
Two-dimensional prism detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2354995C1 RU2354995C1 RU2007130502/28A RU2007130502A RU2354995C1 RU 2354995 C1 RU2354995 C1 RU 2354995C1 RU 2007130502/28 A RU2007130502/28 A RU 2007130502/28A RU 2007130502 A RU2007130502 A RU 2007130502A RU 2354995 C1 RU2354995 C1 RU 2354995C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rods
- rows
- row
- photodetectors
- section
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений, к области обнаружения источника ионизирующего излучения на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.The invention relates to the field of registration of ionizing radiation, to the field of detection of a source of ionizing radiation at checkpoints, railway stations, airports, customs, etc.
Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон, электронно-оптическая система содержит фотоприемники. Патент США №4942302, МПК: G01T 3/06, 1990 г.Known neutron detector containing a fiber module, assembled from layers of polymer scintillating optical fibers, stacked alternately in two mutually perpendicular directions, and an electron-optical system for recording optical radiation emerging from the ends of these fibers, the electron-optical system contains photodetectors. U.S. Patent No. 4,942,302, IPC: G01T 3/06, 1990
Указанное устройство имеет низкую эффективность, т.к. не обеспечивает двухкоординатную регистрацию протонов отдачи с пробегом меньше поперечного сечения одиночного волокна, а также имеет ограничения по количеству волокон в слое и числу слоев, накладываемых числом используемых фотоприемников. Устройство имеет ограниченное пространственное разрешение, определяемое сечением волокна.The specified device has low efficiency, because it does not provide two-coordinate registration of recoil protons with a range less than the cross section of a single fiber, and also has limitations on the number of fibers in the layer and the number of layers superimposed by the number of photodetectors used. The device has a limited spatial resolution, determined by the cross-section of the fiber.
Известен детектор нейтронов, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, содержащий электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон.Known neutron detector, made in the form of a block of layers of polymer scintillating optical elements, stacked alternately in two mutually perpendicular directions, containing an electron-optical system for recording optical radiation emerging from the ends of these fibers.
Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон, а электронно-оптическая система выполнена в виде позиционно-чувствительных фотоприемников, оптически сопряженных с соответствующими гранями волоконного параллелепипеда. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна. Электронно-оптическая система содержит локальные подсистемы, в которые введены полупрозрачные пластины для ответвления оптической мощности на быстродействующие Приемники. Патент Российской Федерации №2119178, МПК: G01T 3/06, 1998 г.The ends of the fibers are located in the planes of the faces of the fiber parallelepiped formed by the fiber layers, and the electron-optical system is made in the form of position-sensitive photodetectors that are optically paired with the corresponding faces of the fiber parallelepiped. The diameter of the fibers is equal to half the mean free path of the recoil proton in the fiber material. The electron-optical system contains local subsystems into which translucent plates are introduced for branching optical power to high-speed receivers. Patent of the Russian Federation No. 2119178, IPC: G01T 3/06, 1998
Детектор нейтронов сложен для реализации, имеет низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации быстрых нейтронов, не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения. Размеры элементов ограничены и представляют собой волокна с поперечным размером не более 1 мм.The neutron detector is difficult to implement, has low efficiency, low spatial resolution, is designed to detect fast neutrons, does not allow to identify radiation and determine the direction of radiation. The dimensions of the elements are limited and are fibers with a transverse size of not more than 1 mm.
Известен многослойный детектор, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, изготовленных из набора материалов, плотность которых монотонно возрастает от первого ряда к последнему слою, и фотоприемников. Рекламный листок Института физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка, Московская область, 2005 г. «Антитеррористические просвечивающие установки для экспрессного выявления взрывчатых веществ».Known multilayer detector, made in the form of a block of layers of polymer scintillating optical elements made of a set of materials, the density of which increases monotonically from the first row to the last layer, and photodetectors. A leaflet of the Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow Region, 2005. “Anti-terrorism transmission systems for the rapid detection of explosives”.
Недостатком такого детектора и установки в целом является необходимость получения изображения скрытых предметов при просвечивании рентгеновским излучением конкретных предметов в явочном порядке. Детектор предназначен для регистрации лишь одного типа излучения, а именно рентгеновского, и не может регистрировать нейтронное излучение.The disadvantage of such a detector and the installation as a whole is the need to obtain images of hidden objects when x-rayed by radiation of specific objects in an explicit manner. The detector is designed to detect only one type of radiation, namely x-ray, and cannot detect neutron radiation.
Известен координатно-чувствительный детектор, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники. В детекторе сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением, на одной из граней каждого стержня выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, фотодиоды обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. Патент Российской Федерации на полезную модель №54440, МПК: G01T 3/06, 2006 г. Прототип.Known coordinate sensitive detector containing a block of hydrogen-containing scintillating optical elements, stacked in rows alternately in two mutually perpendicular directions, and photodetectors. In the detector, scintillating optical elements are made in the form of rods with a rectangular cross section, grooves are made on one of the faces of each rod, scintillating fibers are placed in the grooves, photodiodes are located at the ends of the fibers, photodiodes are provided with leads for connection with scintillation flash detection circuits. Patent of the Russian Federation for utility model No. 544440, IPC: G01T 3/06, 2006. Prototype.
Прототип обладает сравнительно низкой технологичностью изготовления детектора (обработка каждого отдельного стержня, выполнение в нем канавок и т.п.) и низким пространственным разрешением, определяемым сечением стержня.The prototype has a relatively low manufacturability of the detector (processing each individual rod, making grooves in it, etc.) and low spatial resolution, determined by the cross section of the rod.
Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.This invention eliminates the disadvantages of analogues and prototype.
Задачей изобретения является разработка технологичного детектора ионизирующих излучений для визуализации пространственного распределения плотности потока ионизирующих излучений с улучшенными свойствами: повышенной эффективностью и пространственным разрешением, стабильностью, механической прочностью, сроком службы. Разработка детекторов практически любой площади, не требующих высоковольтного питания, специальных помещений и т.п.The objective of the invention is to develop a technologically advanced detector of ionizing radiation to visualize the spatial distribution of the flux density of ionizing radiation with improved properties: increased efficiency and spatial resolution, stability, mechanical strength, and service life. Development of detectors of almost any area that do not require high-voltage power, special rooms, etc.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации, расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, определение местоположения источника излучения, повышение эффективности сбора света, возникающего в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы, и его транспортировки к фотодиодам.The technical result of the invention is to increase the registration efficiency, expand the energy range of registration of penetrating radiation and their types, determine the location of the radiation source, increase the efficiency of the collection of light that occurs in the scintillator when an ionizing particle passes through it, and its transportation to photodiodes.
Технический результат достигается тем, что в двухкоординатном призматическом детекторе ионизирующего излучения, содержащем сцинтиллирующие элементы, выполненные в виде стержней, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, обеспеченные выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, сцинтиллирующие элементы выполнены в виде стержней треугольного сечения, с сечением в виде равностороннего треугольника, на треугольных торцах стержней расположены фотоприемники, стержни установлены в ряд параллельно друг другу, между их вершинами расположен такой же ряд стержней треугольного сечения, с сечением в виде равностороннего треугольника, параллельно расположены еще два ряда стержней, плоскости смежного дополнительного ряда расположены на плоскостях стержней предыдущего ряда, перпендикулярно указанным рядам стержней треугольного сечения расположены аналогичные четыре ряда стержней с фотоприемниками на торцах.The technical result is achieved by the fact that in a two-coordinate prismatic ionizing radiation detector containing scintillating elements made in the form of rods arranged in rows alternately in two mutually perpendicular directions, and photodetectors provided with leads for connection with scintillation burst registration schemes, the scintillating elements are made in the form of rods a triangular section, with an equilateral triangle section, at the triangular ends of the rods are a photodetector , the rods are installed in a row parallel to each other, the same row of rods of a triangular section is located between their vertices, with a section in the form of an equilateral triangle, two more rows of rods are located in parallel, the planes of an adjacent additional row are located on the planes of the rods of the previous row, perpendicular to the indicated rows of triangular rods sections are similar four rows of rods with photodetectors at the ends.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где 1, 2, 3, 4 - смежные стержни треугольного сечения, служащие для определения координаты X; 5, 6, 7, 8 - смежные стержни треугольного сечения, служащие для определения координаты Y, расположенные перпендикулярно стержням 1-4. Кругами обозначены фотодиоды.The invention is illustrated in the drawing, where 1, 2, 3, 4 - adjacent rods of a triangular section, used to determine the X coordinate; 5, 6, 7, 8 - adjacent rods of a triangular section, used to determine the Y coordinate, located perpendicular to the rods 1-4. The circles indicate photodiodes.
Детектор работает следующим образом.The detector operates as follows.
Для вычисления координаты Х используются значения сигналов, зарегистрированных в стержнях, лежащих на траектории движения ионизирующей частицы (см. чертеж) в временном интервале (временном окне), определяемом свойствами сцинтиллятора, характеристиками электроники и энергией частиц. Для пластмассового сцинтиллятора, фотодиодного фотоприемника и релятивистской частицы временное окно может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков наносекунд. На чертеже приведен случай, когда ионизирующая частица вызывает сигналы в стержнях 1, 2, 3, 4. Эти сигналы пропорциональны отрезкам АВ, ВС, CD и DE: N1=k·AB, N2=k·BC, N3=k·CD и N4=k·DE.To calculate the X coordinate, the values of the signals recorded in the rods lying on the trajectory of the ionizing particle (see drawing) in the time interval (time window), determined by the properties of the scintillator, the characteristics of the electronics and particle energy, are used. For a plastic scintillator, a photodiode photodetector, and a relativistic particle, the time window can be from several units to several tens of nanoseconds. The drawing shows the case when the ionizing particle causes signals in rods 1, 2, 3, 4. These signals are proportional to the segments AB, BC, CD and DE: N 1 = k · AB, N 2 = k · BC, N 3 = k · CD and N 4 = k · DE.
Отрезки АВ, ВС, CD, DE являются проекциями участков траектории частицы в соответствующих смежных стержнях детектора на торцевую поверхность детектора.The segments AB, BC, CD, DE are the projections of the sections of the particle path in the respective adjacent detector rods to the end surface of the detector.
Коэффициент пропорциональности k определяется углом между траекторией частицы и торцевой поверхностью детектора и не зависит от энергии частицы и пути, проходимого в детекторе. Это условие справедливо, если ионизационные потери малы по сравнению с энергией частицы. Величины N1, N2, N3, N4 измеряются количеством фотоэлектронов, рожденных в фотоприемном устройстве (фотодиоде) каждого стержня.The proportionality coefficient k is determined by the angle between the path of the particle and the end surface of the detector and does not depend on the energy of the particle and the path traveled in the detector. This condition is valid if the ionization losses are small compared with the particle energy. The values of N 1 , N 2 , N 3 , N 4 are measured by the number of photoelectrons generated in the photodetector (photodiode) of each rod.
Выберем прямоугольную систему координат X, Y, Z с началом в точке с. Рассмотрим проекцию траектории частицы на плоскость XZ. Для определения координаты х точки С необходимо определить координаты х и z точек В и D (xB, zB xD, zD), являющихся точками пересечения траектории частицы смежных сторон треугольников abc и acd, а также треугольников cde и cef.We choose a rectangular coordinate system X, Y, Z with origin at point c. Consider the projection of the particle trajectory onto the XZ plane. To determine the x coordinate of point C, it is necessary to determine the x and z coordinates of points B and D (x B , z B x D , z D ), which are the intersection points of the particle path of the adjacent sides of the triangles abc and acd, as well as the triangles cde and cef.
Уравнение траектории записывается как:The trajectory equation is written as:
(x-xB)/(xB-xD)=(z-zB)/(zB-zD).(xx B ) / (x B -x D ) = (zz B ) / (z B -z D ).
В системе координат для плоскости XY z=0, следовательно,In the coordinate system for the plane XY z = 0, therefore,
xC=zB/(zВ-zB)·(xB-xD)+xB.x C = z B / (z B -z B ) · (x B -x D ) + x B.
Рассмотрим определение координат xB, zB. Выберем систему координат, как это показано на чертеже. Координата Х определяется из решения уравнения прямой, проходящей через точки В и D, которая записывается следующим образом:Consider the determination of the coordinates x B , z B. Choose a coordinate system, as shown in the drawing. The X coordinate is determined from the solution of the equation of a line passing through points B and D, which is written as follows:
где xB, xD, zB, zD - X и Z координаты точек В и D.where x B , x D , z B , z D - X and Z are the coordinates of points B and D.
Из подобия треугольников BAA', BCC', DCC” и DEE” следует, чтоFrom the similarity of triangles BAA ', BCC', DCC ”and DEE” it follows that
xB=(1-N1/(N1+N2))·G/2,x B = (1-N 1 / (N 1 + N 2 )) G / 2,
zB=-N2/(N1+N2)·H,z B = -N 2 / (N 1 + N 2 ) · H,
zD=N3/(N3+N4)·H.z D = N 3 / (N 3 + N 4 ) · H.
Подставляя выражения (2) в уравнение (1), с учетом того, что в выбранной системе координат z=0, получаем:Substituting expressions (2) into equation (1), taking into account the fact that in the selected coordinate system z = 0, we obtain:
Максимальная ошибка в определении х координаты точки С определяется выражением:The maximum error in determining the x coordinate of point C is determined by the expression:
Наихудший случай для определения zB, xB, zD, xD, когда N1=N2=N3=N4=N/2 и траектория частицы перпендикулярна плоскости XY. При этом N - количество фотоэлектронов, рожденных в фотоприемном устройстве при прохождении ионизирующей частицей в сцинтилляционной пластине отрезка длиной G.The worst case for determining z B , x B , z D , x D is when N 1 = N 2 = N 3 = N 4 = N / 2 and the particle path is perpendicular to the XY plane. In this case, N is the number of photoelectrons generated in the photodetector when an ionizing particle passes in a scintillation plate of a length G.
Выражение (4) можно переписать как:Expression (4) can be rewritten as:
где I - сигнал, возникающий при прохождении частицей в сцинтилляторе отрезка единичной длины.where I is the signal that occurs when a particle passes through a scintillator of a unit length segment.
Приведем численные оценки стандартных отклонений для стержней из полистирола с углом при вершине 90°, Н=1 см, G/2=1 см и мюонов космического происхождения, с характерной величиной удельных потерь энергии 2 МэВ/см. Предположим, что фотоприемными устройствами являются фотодиоды, занимающие половину площади торцевой поверхности. Мюон в стержнях 1 и 2 проходит путь в 1 см. При этом выделяется 2 МэВ энергии и рождается в общей сложности 20000 фотонов. Для стержней длиной >1 м фотоны, падающие на поверхность стержня вне угла полного внутреннего отражения (УПВО), претерпевают, по меньшей мере, около 100 попаданий на стенки. При коэффициенте отражения при однократном соударении равном 0.95 доля фотонов, дошедших до торца стержня, составит 0.95100=6×10-3. Следовательно, фотонами вне УПВО можно пренебречь. УПВО для границы между материалами с оптическими плотностями n1 (воздух) и n2 (материал стержня) определяется выражением:We give numerical estimates of standard deviations for polystyrene rods with an apex angle of 90 °, Н = 1 cm, G / 2 = 1 cm, and muons of cosmic origin, with a characteristic specific energy loss of 2 MeV / cm. Suppose that photodetectors are photodiodes, occupying half the area of the end surface. The muon in rods 1 and 2 travels a path of 1 cm. In this case, 2 MeV of energy is released and a total of 20,000 photons are generated. For rods> 1 m long, photons incident on the surface of the rod outside the angle of total internal reflection (ATR) undergo at least about 100 hits on the walls. When the reflection coefficient for a single collision is 0.95, the fraction of photons reaching the rod end is 0.95 100 = 6 × 10 -3 . Therefore, photons outside the ATW can be neglected. UPVO for the boundary between materials with optical densities n 1 (air) and n 2 (rod material) is determined by the expression:
УПВО=arcsin(n1/n2).UPO = arcsin (n 1 / n 2 ).
Доля фотонов, движущихся к каждому из торцов элемента внутри УПВО, определяется формулой (1-n1/n2)/2. При n2=1,62 (полистирол) и n1=1 (воздух) эта доля составляет 0,2 от общего количества рожденных фотонов. При этом около 4000 фотонов распространяются вдоль оси стержня внутри УПВО к каждому из торцов. Коэффициент отражения при углах меньше УПВО считаем равным единице. Средний путь фотона в полистироле при длине элемента 2 м составляет около 2,5 м. При типичном значении длины ослабления в полистирольном сцинтилляторе равном 3 м на этом пути поток фотонов ослабляется в 2,2 раза. В конечном итоге до каждого из двух торцов стержня дойдет около 1800 фотонов. При условии, что фотодиод занимает около половины площади торца, на него попадает около 900 фотонов. При регистрации фотонов фотодиодом с квантовой эффективностью 0,3 (в лучшем случае 0,8) в фотодиоде образуется N=I=270 фотоэлектронов. Тогда с учетом выражения (4) σх=0,32 мм. Для фотодиодов с квантовой эффективностью 0,8 стандартное отклонение становится равным σx=0,19 мм, а при регистрации фотонов на обоих концах стержней и суммировании сигналов на противоположных концах достигает значения σx=0,14 мм.The fraction of photons moving to each of the ends of the element inside the ATR is determined by the formula (1-n 1 / n 2 ) / 2. With n 2 = 1.62 (polystyrene) and n 1 = 1 (air), this fraction is 0.2 of the total number of photons generated. At the same time, about 4000 photons propagate along the axis of the rod inside the ATR to each of the ends. The reflection coefficient at angles less than UPVO is considered equal to unity. The average photon path in polystyrene with an element length of 2 m is about 2.5 m. With a typical attenuation length in a polystyrene scintillator of 3 m, the photon flux is attenuated 2.2 times in this way. Ultimately, about 1800 photons will reach each of the two ends of the rod. Provided that the photodiode occupies about half the area of the end face, about 900 photons fall on it. When photons are recorded by a photodiode with a quantum efficiency of 0.3 (0.8 at best), N = I = 270 photoelectrons are generated in the photodiode. Then, taking into account expression (4), σ x = 0.32 mm. For photodiodes with a quantum efficiency of 0.8, the standard deviation becomes σ x = 0.19 mm, and when photons are detected at both ends of the rods and the signals are summed at opposite ends, it reaches σ x = 0.14 mm.
Такое же устройство, оси стержней которого расположены перпендикулярно первому устройству, используется для определения второй координаты Y, точность определения которой вычисляется аналогичным образом.The same device, the axis of the rods of which are perpendicular to the first device, is used to determine the second coordinate Y, the determination accuracy of which is calculated in a similar way.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007130502/28A RU2354995C1 (en) | 2007-08-09 | 2007-08-09 | Two-dimensional prism detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007130502/28A RU2354995C1 (en) | 2007-08-09 | 2007-08-09 | Two-dimensional prism detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007130502A RU2007130502A (en) | 2009-02-20 |
| RU2354995C1 true RU2354995C1 (en) | 2009-05-10 |
Family
ID=40531308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007130502/28A RU2354995C1 (en) | 2007-08-09 | 2007-08-09 | Two-dimensional prism detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2354995C1 (en) |
-
2007
- 2007-08-09 RU RU2007130502/28A patent/RU2354995C1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007130502A (en) | 2009-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4600947B2 (en) | Beta ray detector and beta ray reconstruction method | |
| KR102010151B1 (en) | Muon detector and muon detecting system having the same | |
| EP0734076B1 (en) | Wide range radiation detector | |
| US5334839A (en) | Position sensitive radiation detector | |
| RU92970U1 (en) | SCINTILLATION DETECTOR | |
| JPH09318757A (en) | Radiation detector | |
| US9720102B1 (en) | Filter arrays | |
| RU2354995C1 (en) | Two-dimensional prism detector | |
| RU71452U1 (en) | TWO-ORDINARY PRISMATIC DETECTOR | |
| RU2408902C1 (en) | Two-dimensional detector | |
| RU71453U1 (en) | PRISMATIC DETECTOR | |
| RU2356068C1 (en) | Prismatic detector | |
| RU71451U1 (en) | TWO-ORDER RADIATION DETECTOR | |
| RU2351954C2 (en) | Coordinate-sensitive detector | |
| RU2353952C1 (en) | Two-dimensional detector of radiations | |
| RU65248U1 (en) | MULTILAYER COORDINATE DETECTOR | |
| JP5060410B2 (en) | Radiation detector | |
| EP3270186B1 (en) | Neutron detector with a tracking unit | |
| RU2371740C1 (en) | Hodoscope | |
| RU65245U1 (en) | SINGLE-ORDER DETECTOR | |
| RU65247U1 (en) | SCINTING DETECTOR | |
| RU2351951C2 (en) | Digital calorimeter | |
| RU65246U1 (en) | COORDINATE DETECTOR | |
| RU2119178C1 (en) | Neutron detector | |
| Moats | Improving the Optical Yield of a Portable Plastic-Scintillator-Based Muon Tomography System |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200810 |