RU2373556C2

RU2373556C2 - Express detector

Info

Publication number: RU2373556C2
Application number: RU2008100694/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Петрович Боголюбов (RU); Евгений Петрович Боголюбов; Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров; Александр Павлович Кошелев (RU); Александр Павлович Кошелев
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-11-20
Also published as: RU2008100694A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to detecting ionising radiations. The detector has an electronic circuit with amplifier-discriminators, on one scintillator plate there is a light-reemitting fibre in form of a loop, the ends of which are brought to one of the faces of the plate, at least one end of the light-reemitting fibre is connected a photodiode. Photodiodes are connected to a coincidence circuit. The detector is twinned and is symmetrical about the light-reemitting fibre. The detector is twinned and symmetrical about a light-reflecting partition. The detector has an additional scintillator plate for detecting slow neutrons. The detector is made in form of a multilayer unit from two plate-like detectors with light-reemitting fibre, separated by the light-reflecting partition. The detector is made in form of a multilayer unit from twinned detectors, symmetrical about the switching fibre and separated by the light-reemitting partition.

EFFECT: simpler design, increased efficiency of detecting radiation, wider range of detection, possibility of express analysis.

7 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений.The invention relates to the field of registration of ionizing radiation.

Известен детектор для регистрации ионизирующих излучений, нейтронов и гамма-квантов, содержащий датчик и блок электронной обработки информации, включающий схему временной селекции сцинтиимпульсов, отличающийся тем, что для регистрации быстрых и медленных нейтронов на фоне одновременно регистрируемого сопутствующего гамма-излучения датчик выполнен в виде трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов: внешнего нейтронного сцинтиллятора, выполненного из чувствительного к быстрым нейтронам водородсодержащего вещества на основе пластмассы (CH)_n или стильбена; сцинтиллятора Nal-Tl, чувствительного к гамма-излучению, размещенного в колодце внешнего сцинтиллятора; внутреннего стеклянного сцинтиллятора, чувствительного к тепловым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, помещенных в единый корпус, а блок электронной обработки сигналов дополнительно включает спектрометрический анализатор сцинтиимпульсов, поступающих в него от сцинтилляционного кристалла Nal-Tl. Толщина внешнего сцинтиллятора из водородосодержащего материала выбирается достаточной для того, чтобы проходящие через сцинтиллятор быстрые нейтроны замедлялись до тепловых энергий. Патент Российской Федерации №2143711, МПК: 1999 г.A known detector for detecting ionizing radiation, neutrons and gamma rays, comprising a sensor and an electronic information processing unit including a temporal selection of scintillation pulses, characterized in that for detecting fast and slow neutrons against a background of simultaneously detected accompanying gamma radiation, the sensor is made in the form of three parallel-series connected scintillators: an external neutron scintillator made of a hydrogen-containing substance sensitive to fast neutrons based on plastic (CH) _n or stilbene; a Nal-Tl scintillator sensitive to gamma radiation located in a well of an external scintillator; an internal glass scintillator sensitive to thermal neutrons, and a photomultiplier placed in a single housing, and the electronic signal processing unit additionally includes a spectrometric analyzer of scintillation pulses coming from a Nal-Tl scintillation crystal. The thickness of the external scintillator from the hydrogen-containing material is chosen sufficient so that fast neutrons passing through the scintillator are slowed down to thermal energies. Patent of the Russian Federation No. 2143711, IPC: 1999

Однако известный детектор имеет целый ряд недостатков: - эффективность фотосбора сигналов от быстрых нейтронов, возникающих в пластике (СН)_n, невысока из-за того, что сигналы, во-первых, поступают на фотоприемник (ФЭУ) только по периферийному кольцу, обеспечивая фотосъем сцинтилляций на уровне до 30-40% вследствие того, что кристалл NaI-Tl находится в непрозрачном корпусе и экранирует часть светового потока, возникающего в пластике, а во-вторых, вследствие того, что излучение быстрого пластикового сцинтиллятора не непосредственно попадает на ФЭУ, а поступает на него через стекло и частично поглощается в этом стекле, имеющем границу пропускания 350-380 нм, в итоге может быть потеряно до 32-43% полезной информации; - пониженная стойкость к ударным нагрузкам, поскольку детектор содержит сцинтилляционный кристалл NaI-Tl, отличающийся высокой гигроскопичностью, что повышает требования к герметизации. Таким образом, известный детектор не может обеспечить эффективную регистрацию быстрых и тепловых нейтронов.However, the known detector has a number of drawbacks: - the efficiency of the photo-collection of signals from fast neutrons arising in plastic (SN) _n is low due to the fact that, firstly, the signals arrive at the photodetector (PMT) only along the peripheral ring, providing photography scintillations at a level of up to 30-40% due to the fact that the NaI-Tl crystal is in an opaque body and shields part of the light flux arising in the plastic, and secondly, due to the fact that the radiation of a fast plastic scintillator does not directly hit the PV Y, and enters through it through the glass and is partially absorbed in this glass, which has a transmission boundary of 350-380 nm, up to 32-43% of useful information may be lost; - reduced resistance to shock loads, because the detector contains a scintillation crystal NaI-Tl, characterized by high hygroscopicity, which increases the requirements for sealing. Thus, the known detector cannot provide efficient detection of fast and thermal neutrons.

Известен сцинтилляционный детектор быстрых и тепловых нейтронов, содержащий датчик, включающий сцинтиллятор на основе органического водородсодержащего пластика, чувствительного к быстрым нейтронам, и стеклянный сцинтиллятор на основе ⁶Li-силикатного стекла, чувствительного к тепловым нейтронам, и фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтилляторы выполнены в виде пластин с параллельными соприкасающимися гранями, причем органический сцинтиллятор выполнен в виде клина, а стеклянный в виде параллелепипеда, образуя единый сенсорный сцинтиблок, снабженный свинцовым коллиматором и размещенный вместе с последним в дополнительном полиэтиленовом пенале-накопителе тепловых нейтронов, а фотоэлектронный умножитель установлен с торца пластикового сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2259573, МПК: G01T 1/20, 2005 г. Прототип.Known scintillation detector of fast and thermal neutrons, containing a sensor including a scintillator based on an organic hydrogen-containing plastic that is sensitive to fast neutrons, and a glass scintillator based on ⁶ Li-silicate glass sensitive to thermal neutrons, and a photoelectronic multiplier, as well as an electronic signal processing unit characterized in that the scintillators are made in the form of plates with parallel contacting faces, the organic scintillator is made in the form of a wedge, and glass The latter is in the form of a parallelepiped, forming a single sensor scintiblock, equipped with a lead collimator and placed together with the latter in an additional plastic thermal neutron storage case, and the photoelectron multiplier is mounted at the end of the plastic scintillator. Patent of the Russian Federation No. 2259573, IPC: G01T 1/20, 2005. Prototype.

И аналог, и прототип громоздки, сложны в изготовлении, имеют низкую эффективность регистрации.Both analog and prototype are bulky, difficult to manufacture, and have low registration efficiency.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.The invention eliminates these disadvantages.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности регистрации факта излучения, расширение диапазона регистрации, возможность проведения экспресс-анализа.The technical result of the invention is to simplify the design, increase the efficiency of registration of the fact of radiation, expand the range of registration, the possibility of express analysis.

Технический результат достигается тем, что детектор, содержащий датчик, включающий сцинтилляторы, выполненные в виде двух пластин с параллельными соприкасающимися гранями, из сцинтилляторов, чувствительных к разным видам излучения, и блок электронной обработки сигналов, содержит электронную плату с усилителями-дискриминаторами, в одной из пластин сцинтилляторов расположено светопереизлучающее волокно в виде петли, концы которого выведены на одну из граней пластины, по крайней мере, один конец светопереизлучающего волокна соединен с фотодиодом. Фотодиоды соединены со схемой совпадений. Детектор выполнен сдвоенным и симметричным относительно светопереизлучающего волокна. Детектор выполнен сдвоенным и симметричным относительно светоотражающей перегородки. Детектор выполнен в виде многослойного блока из разделенных светоотражающей перегородкой двух пластинчатых детекторов со светопереизлучающим волокном. Детектор выполнен в виде многослойного блока из сдвоенного и симметричного относительно переключающего волокна детекторов, разделенных светоотражающей перегородкой.The technical result is achieved in that the detector comprising a sensor including scintillators made in the form of two plates with parallel contacting faces, made of scintillators sensitive to different types of radiation, and an electronic signal processing unit, contains an electronic board with discriminating amplifiers, in one of a scintillator plate is a light-emitting fiber in the form of a loop, the ends of which are displayed on one of the faces of the plate, at least one end of the light-emitting fiber is connected to otodiodom. Photodiodes are connected to a matching circuit. The detector is made double and symmetrical with respect to the light emitting fiber. The detector is made double and symmetrical with respect to the reflective partition. The detector is made in the form of a multilayer block of two plate detectors with a light-emitting fiber separated by a reflective partition. The detector is made in the form of a multilayer block of detectors that are double and symmetrical with respect to the switching fiber, separated by a reflective partition.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-фиг.6.The invention is illustrated in Fig.1-Fig.6.

На фиг.1 представлен поперечный разрез детектора, где 1 - пластмассовый сцинтиллятор, служащий для регистрации быстрых нейтронов, 2 - кристаллический сцинтиллятор, служащий для регистрации гамма-квантов, или сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов, 3 - светопереизлучающее волокно.Figure 1 shows a cross section of the detector, where 1 is a plastic scintillator for detecting fast neutrons, 2 is a crystalline scintillator for detecting gamma rays, or a scintillator for detecting thermal neutrons, 3 is a light-emitting fiber.

На фиг.2 схематично представлен вид сверху на пакет пластин сцинтиллятора, где 1 - пластмассовый сцинтиллятор, служащий для регистрации быстрых нейтронов, 3 - светопереизлучающее волокно, 4 - фотодиоды.Figure 2 schematically shows a top view of the package of plates of the scintillator, where 1 is a plastic scintillator used to register fast neutrons, 3 is a light-emitting fiber, 4 are photodiodes.

На фиг.3 представлен сдвоенный детектор ионизирующих излучений, симметричный относительно светопереизлучающего волокна, где 1 - пластмассовый сцинтиллятор, служащий для регистрации быстрых нейтронов, 2 - кристаллический сцинтиллятор, служащий для регистрации гамма-квантов, или сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов, 3 - светопереизлучающее волокно.Figure 3 shows a dual detector of ionizing radiation, symmetric with respect to the light-emitting fiber, where 1 is a plastic scintillator for detecting fast neutrons, 2 is a crystalline scintillator for detecting gamma rays, or a scintillator for detecting thermal neutrons, 3 is a light-emitting fiber .

На фиг.4 представлен сдвоенный детектор ионизирующих излучений со светоразделяющей перегородкой, где 1 - пластмассовый сцинтиллятор, служащий для регистрации быстрых нейтронов, 2 - кристаллический сцинтиллятор, служащий для регистрации гамма-квантов, или сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов, 3 - светопереизлучающее волокно, 5 - светоразделяющая перегородка.Figure 4 shows a dual ionizing radiation detector with a light separating partition, where 1 is a plastic scintillator for detecting fast neutrons, 2 is a crystalline scintillator for detecting gamma rays, or a scintillator for detecting thermal neutrons, 3 is a light-emitting fiber, 5 - light separating partition.

На фиг.5 представлен многослойный вариант сдвоенного детектора, разделенного светоразделяющей перегородкой.Figure 5 presents a multilayer version of a dual detector, separated by a light-separating partition.

На фиг.6 представлен многослойный вариант симметричного сдвоенного детектора, разделенного светоразделяющей перегородкой.Figure 6 presents a multilayer version of a symmetric dual detector, separated by a light-separating partition.

На фиг.7 представлен поперечный разрез детектора, где 1 - пластмассовый сцинтиллятор, служащий для регистрации быстрых нейтронов, 2 - кристаллический сцинтиллятор, служащий для регистрации гамма-квантов, 3 - светопереизлучающее волокно, 6 - сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов.Fig. 7 is a cross-sectional view of the detector, where 1 is a plastic scintillator for detecting fast neutrons, 2 is a crystalline scintillator for detecting gamma rays, 3 is a light-emitting fiber, 6 is a scintillator for detecting thermal neutrons.

Детектор предназначен для одновременной регистрации двух видов ионизирующих излучений и содержит сцинтилляционные пластины 1, 2, предназначенные для регистрации того или иного вида излучения.The detector is designed for the simultaneous registration of two types of ionizing radiation and contains scintillation plates 1, 2, designed to register a particular type of radiation.

Для регистрации быстрых нейтронов 1 - например, пластины полистирола или поливинилтолуола. Для регистрации тепловых нейтронов 2 - пластины литиевого стекла или светосостава ⁶LiFZnS:Ag или для регистрации гамма-квантов пластина 2 - будет из германата висмута и др.For registration of fast neutrons 1 - for example, polystyrene or polyvinyltoluene plates. For registration of thermal neutrons 2 - plate of lithium glass or light composition ⁶ LiFZnS: Ag or for registration of gamma-quanta plate 2 - will be from bismuth germanate, etc.

Одна или обе пластины 1, 2 содержат светопереизлучающее волокно 3, с одним или двумя фотодиодами 4 на концах светопереизлучающих волокон 3, электронную плату с усилителями-дискриминаторами и при использовании двух фотодиодов схемой совпадений (не показаны). Дискриминаторы и схема совпадений обеспечивают подавление собственных электронных шумов фотодиода 4 и некоторых фоновых излучений.One or both plates 1, 2 contain a light-emitting fiber 3, with one or two photodiodes 4 at the ends of the light-emitting fibers 3, an electronic board with discriminating amplifiers and, when two photodiodes are used, a matching circuit (not shown). The discriminators and coincidence scheme suppress the intrinsic electronic noise of photodiode 4 and some background radiation.

Размеры пластин 1 и 2 определены энергией регистрируемого излучения. Длина составляет от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Толщина пластин составляет несколько сантиметров.The sizes of the plates 1 and 2 are determined by the energy of the detected radiation. The length is from a few centimeters to several tens of centimeters. The thickness of the plates is a few centimeters.

Материал сцинтилляционных пластин 1 и 2 прозрачен для образованного в них под действием частиц излучения света, обладает высокой эффективностью регистрации при небольшой толщине. Так, в случае светосостава ⁶LiFZnS:Ag, достаточная эффективность обеспечена при толщине в несколько сотен микрометров. Диаметр светопереизлучающих волокон 3 составляет от одного до несколько миллиметров. Для предотвращения попадания в фотодиоды 4 внешнего света пластины 1 и 2 разделены светоразделяющей перегородкой 5. Фотоны сцинтилляционной вспышки, возникшие в сцинтилляционной пластине 1 или 2, распространяются по ее объему и частично попадают в светопереизлучающее волокно 3, где с вероятностью около 80% переизлучаются. Возникшие в светопереизлучающем волокне 3 фотоны распространяются к его торцам и попадают на фотодиоды 4. Фотоны, попавшие в фотодиод 7, вызывают электрический сигнал. Применение для считывания сцинтилляционного сигнала кремниевых фотоэлектронных умножителей (КФЭУ) позволяет отказаться от высоких питающих напряжений, обеспечивает более высокую эффективность регистрации за счет более высокой по сравнению с фотокатодами ФЭУ квантовой эффективности КФЭУ.The material of the scintillation plates 1 and 2 is transparent to the light radiation formed in them under the influence of particles, has a high detection efficiency with a small thickness. So, in the case of a light composition of ⁶ LiFZnS: Ag, sufficient efficiency is ensured at a thickness of several hundred micrometers. The diameter of the light emitting fibers 3 is from one to several millimeters. To prevent external light from entering the photodiodes 4, the plates 1 and 2 are separated by a light-separating partition 5. Photons of the scintillation flash arising in the scintillation plate 1 or 2 propagate through its volume and partially get into the light-emitting fiber 3, where they are reradiated with a probability of about 80%. The photons arising in the light-emitting fiber 3 propagate to its ends and fall on the photodiodes 4. The photons entering the photodiode 7 cause an electric signal. The use of silicon photomultiplier tubes for reading the scintillation signal of silicon photovoltaic photomultipliers (CFEUs) eliminates high supply voltages and provides higher detection efficiency due to the higher quantum efficiency of photovoltaic photovoltaics compared to photocathodes.

Прошедший через усилитель-дискриминатор сигнал поступает в амплитудно-цифровой преобразователь и далее через интерфейсную плату в персональный компьютер. Амплитудный анализ дает возможность идентифицировать тип регистрируемого излучения.The signal passed through the discriminator amplifier enters the amplitude-to-digital converter and then through the interface board to a personal computer. Amplitude analysis makes it possible to identify the type of radiation detected.

Claims

1. A detector containing a sensor including scintillators made in the form of two plates with parallel contacting faces, made of scintillators sensitive to different types of radiation and an electronic signal processing unit, characterized in that the detector contains an electronic board with discriminating amplifiers in one of the plates scintillators located light-emitting fiber in the form of a loop, the ends of which are displayed on one of the faces of the plate, at least one end of the light-emitting fiber is connected to the photodiode.

2. The detector according to claim 1, characterized in that the photodiodes are connected to a matching circuit.

3. The detector according to claim 1, characterized in that it is made dual and symmetrical with respect to the light-emitting fiber.

4. The detector according to claim 1, characterized in that it is made double and symmetrical with respect to the reflective partition.

5. The detector according to claim 1, characterized in that it contains an additional scintillator plate for detecting thermal neutrons.

6. The detector according to claim 1, characterized in that it is made in the form of a multilayer block of two plate detectors with a light-emitting fiber separated by a reflective partition.

7. The detector according to claim 1, characterized in that it is made in the form of a multilayer block of dual detectors that are symmetrical with respect to the switching fiber and separated by a reflective partition.