RU2408905C1

RU2408905C1 - Scintillation detector

Info

Publication number: RU2408905C1
Application number: RU2010103004/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-01-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: radiation converters are placed at intersection points of a two- or three-dimensional net. The radiation converters are connected to neighbouring linear light-reemitting elements mounted on said converters with optical contact.

EFFECT: design of universal detectors with radiation converters of any type with effective area or volume defined only by light attenuation in the light-reemitting elements, fewer photodetectors compared to the number of radiation converters, reading the scintillation signal from converters surrounded on all sides by other converters.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, пунктах таможенного досмотра, публичных местах и т.д.The invention relates to the field of registration of ionizing radiation and can be used to detect and identify hazardous materials by both active and passive methods at checkpoints, railway stations, airports, customs checkpoints, public places, etc.

Известен ряд сцинтилляционных детекторов.A number of scintillation detectors are known.

Детектор, содержащий соприкасающиеся сцинтилляторы, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов. Грани сцинтиллятора обеспечивают оптический контакт. Патент Российской Федерации №2259573, МПК⁷ G01T 1/00, 2005 г.A detector containing contacting scintillators, a photodetector and an electronic signal processing unit. Scintillator faces provide optical contact. Patent of the Russian Federation No. 2259573, IPC ⁷ G01T 1/00, 2005

Сцинтилляционный детектор, содержащий два соприкасающихся сцинтиллятора, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов. Каждый из сцинтилляторов выполнен в виде шара и покрыт светоотражающим покрытием. Сцинтилляторы размещены в корпусе, покрытом внутри светопоглощающим покрытием. Патент Российской Федерации №2303278, МПК⁷ G01T 1/00, 2007 г.A scintillation detector containing two contacting scintillators, a photodetector and an electronic signal processing unit. Each of the scintillators is made in the form of a ball and is coated with a reflective coating. Scintillators are housed in a housing coated internally with a light-absorbing coating. Patent of the Russian Federation No. 2303278, IPC ⁷ G01T 1/00, 2007

Сцинтилляционный детектор, содержащий пластиковый сцинтиллятор в форме призмы или цилиндра для регистрации быстрых нейтронов, выполненный с одним каналом и размещенным в нем волоконным сцинтилляционным световодом, светоотражающее зеркало, фотодиодное фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигналов. Патент Российской Федерации №2303798, МПК⁷ G01T 1/00, 2007 г.A scintillation detector comprising a plastic scintillator in the form of a prism or cylinder for detecting fast neutrons, made with one channel and a fiber scintillation fiber placed in it, a reflective mirror, a photodiode photodetector and an electronic signal processing unit. Patent of the Russian Federation No. 2303798, IPC ⁷ G01T 1/00, 2007

Световолоконный сцинтилляционный детектор, содержащий сборку сцинтилляционных волокон, предназначенных для регистрации гамма-излучения, и фотоприемное устройство, находящиеся в оптическом контакте друг с другом. Сборка сцинтилляционных волокон содержит волокна для регистрации тепловых нейтронов и волокна для регистрации быстрых нейтронов и помещена в оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников. Патент Российской Федерации №2323453, МПК⁷ G01T 3/20, 2008 г.A fiber optic scintillation detector comprising an assembly of scintillation fibers for detecting gamma radiation and a photodetector in optical contact with each other. The scintillation fiber assembly contains fibers for detecting thermal neutrons and fibers for detecting fast neutrons and is placed in a shell with an internal reflective coating, the photodetector consists of two photodetectors. Patent of the Russian Federation No. 23233453, IPC ⁷ G01T 3/20, 2008

Устройство для считывания сцинтилляционного сигнала, содержащее светосборник в виде пластины из прозрачного материала, по крайней мере, одно светопереизлучающее волокно, два фотодиода и электронную плату с двумя усилителями-дискриминаторами и схемой совпадений. Светосборник покрыт светоотражающим, установленным с зазором, а затем светозащитным материалами. Патент Российской Федерации на полезную модель №77053, G01T 1/20, 2008 г.A scintillation signal reading device comprising a light collector in the form of a plate of a transparent material, at least one light-emitting fiber, two photodiodes and an electronic board with two discriminating amplifiers and a matching circuit. The light collector is covered with reflective, installed with a gap, and then light-protective materials. Utility Model Patent of the Russian Federation No. 77053, G01T 1/20, 2008

Сцинтилляционный детектор со сцинтилляторами различного типа и фотоприемниками. Сцинтиллятор содержит не менее двух составных элементов различного типа, установленных последовательно, на одном из торцов составного сцинтиллятора установлено такое же количество фотоприемников со спектральными чувствительностями или светофильтрами, согласованными с соответствующим типом составного элемента сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2371739, МПК⁷ G01T 1/20, 2009.Scintillation detector with scintillators of various types and photodetectors. The scintillator contains at least two constituent elements of various types mounted in series; at one of the ends of the composite scintillator, the same number of photodetectors with spectral sensitivities or light filters matched with the corresponding type of constituent element of the scintillator are installed. Patent of the Russian Federation No. 2371739, IPC ⁷ G01T 1/20, 2009.

Координатно-чувствительный детектор, содержащий блок сцинтиллирующих оптических элементов со светопереизлучающими волокнами, на торцах которых расположены фотодиоды, фотодиоды снабжены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, отличающийся тем, что блок выполнен в виде, по крайней мере, одной сцинтиллирующей пластины, содержащей, по крайней мере, на одной стороне параллельный ряд светопереизлучающих волокон, фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2351954, G01T 3/06, 2009.A coordinate-sensitive detector containing a block of scintillating optical elements with light-emitting fibers, at the ends of which photodiodes are located, the photodiodes are equipped with leads for connecting to scintillation burst detection circuits, characterized in that the block is made in the form of at least one scintillating plate containing at least on one side, a parallel row of light-emitting fibers, photodiodes of light-emitting fibers are located at the ends of the plate and are connected to the reg iteration with output register. Patent of the Russian Federation No. 2351954, G01T 3/06, 2009.

Известен двухкоординатный детектор, преобразователь излучения в котором выполнен в виде сцинтиллирующей пластины с закрепленными на ней на разных плоскостях рядами светопереизлучающих волокон, расположенных перпендикулярно друг другу, а фотодиоды светопереизлучающих волокон расположены на торцах пластины и подключены к схеме регистрации с выходным регистром. Патент Российской Федерации №2353952, G01T 3/06, 2009. Прототип.A two-coordinate detector is known, the radiation converter in which is made in the form of a scintillating plate with rows of light-emitting fibers fixed perpendicular to each other fixed on it on different planes, and the photodiodes of the light-emitting fibers are located at the ends of the plate and connected to the registration circuit with an output register. Patent of the Russian Federation No. 2353952, G01T 3/06, 2009. Prototype.

Все перечисленные аналоги и прототип имеют общий недостаток: регистрируют ограниченное число видов излучения, требуют большого количества фотоприемников, количество которых пропорционально площади или объему детектора, чувствительность устройств зависит от их положения относительно источника, местонахождение которого в общем случае неизвестно, что требует дополнительных измерений для его нахождения, не имеют возможности целенаправленно изменять спектр излучения или преобразовывать его в другой вид излучения с целью получения дополнительной информации об излучении или для повышения эффективности его регистрации.All of the above analogues and prototype have a common drawback: register a limited number of types of radiation, require a large number of photodetectors, the number of which is proportional to the area or volume of the detector, the sensitivity of the devices depends on their position relative to the source, the location of which is generally unknown, which requires additional measurements to finding, do not have the ability to purposefully change the spectrum of radiation or convert it to another type of radiation in order to obtain additional ADDITIONAL information about radiation, or to improve the effectiveness of its registration.

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

Техническим результатом изобретения является формирование универсальных сцинтилляционных детекторов, содержащих преобразователи излучения любого типа, возможность создания детекторов, эффективная площадь или объем которых определяются только затуханием света в светопереизлучающих элементах, уменьшение количества элементов фотоприемников или самих фотоприемников по сравнению с количеством преобразователей излучений, исключение влияния пространственного положения источника излучения по отношению к устройству на работоспособность и чувствительность устройства, возможность введения в устройство дополнительных материалов для целенаправленного изменения характеристик излучения, возможность считывания сцинтилляционного сигнала с преобразователей, окруженных со всех сторон другими преобразователями.The technical result of the invention is the formation of universal scintillation detectors containing radiation converters of any type, the possibility of creating detectors whose effective area or volume is determined only by the attenuation of light in the light emitting elements, reducing the number of photodetector elements or photodetectors themselves compared to the number of radiation converters, eliminating the influence of spatial position radiation source with respect to the device st and the sensitivity of the device, the possibility of introducing additional materials into the device for focused emission characteristics change, the ability to read a signal from the scintillator transducers surrounded on all sides by other transducers.

Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, преобразователи излучения расположены в точках пересечения двух- или трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними, по крайней мере, по двум направлениям координатной сетки линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, причем преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами.The technical result is achieved in that in a scintillation detector containing N radiation converters with rows of light-emitting fibers and photodetectors fixed to them, radiation converters are located at the intersection points of a two- or three-dimensional coordinate grid, each radiation converter is connected in series with neighboring at least two directions of the coordinate grid by linear light-emitting elements fixed to each radiation converter with an optical contact, p Moreover, radiation converters and linear light-emitting elements are coated with reflective and light-shielding materials.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5.The invention is illustrated in figures 1-5.

На фиг.1 изображено устройство сцинтилляционного детектора с N преобразователями излучения, размещенными в одной плоскости, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы, расположенные в параллельных плоскостях по разные стороны от преобразователей излучения 1, 3 - фотодетекторы, 4 - преобразователь, положение которого определено при срабатывании фотодетекторов 3.Figure 1 shows the device of a scintillation detector with N radiation converters located in the same plane, where 1 - radiation converters, 2 - light-emitting elements located in parallel planes on opposite sides of the radiation converters 1, 3 - photodetectors, 4 - converter, position which is determined by the operation of photodetectors 3.

На фиг.2 изображено устройство сцинтилляционного детектора с N преобразователями излучения, размещенными с одной стороны преобразователей излучения, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы, размещенные с одной стороны от преобразователей излучения 1.Figure 2 shows the device of a scintillation detector with N radiation converters located on one side of the radiation converters, where 1 is the radiation converters, 2 are light-emitting elements placed on one side of the radiation converters 1.

На фиг.3 изображено устройство сцинтилляционного детектора с N преобразователями излучения, размещенными с одной стороны преобразователей излучения по их диагоналям, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы, размещенные с одной стороны от преобразователей излучения 1. Преимущество диагонального расположения спектропереизлучающих элементов состоит в большей площади оптического контакта с преобразователем излучения и улучшении из-за этого светосбора примерно в 1,41 раза.Figure 3 shows the device of a scintillation detector with N radiation converters placed on one side of the radiation converters on their diagonals, where 1 are radiation converters, 2 are light-emitting elements located on one side of the radiation converters 1. The advantage of the diagonal arrangement of spectro-emitting elements is a larger area of optical contact with the radiation converter and an improvement due to this light collection of about 1.41 times.

На фиг.4 изображено устройство считывания сцинтилляционного детектора с трехмерного набора N преобразователей излучения, где 1 - преобразователи излучения, 2 - светопереизлучающие элементы.Figure 4 shows a reader of a scintillation detector with a three-dimensional set of N radiation converters, where 1 - radiation converters, 2 - light-emitting elements.

На фиг.5 представлена схема сцинтилляционного детектора со считыванием сигнала с преобразователей излучения с помощью фотодетекторов, включенных в схему совпадений, где 1 - преобразователи излучения (вид со стороны источника), 2 - светопереизлучающие элементы, 3 - фотодетекторы, 5 - аналоговые усилители, 6 - дискриминаторы, 7 - схемы совпадений.Figure 5 presents a diagram of a scintillation detector with reading the signal from radiation converters using photodetectors included in the coincidence scheme, where 1 is radiation converters (view from the source side), 2 are light-emitting elements, 3 are photodetectors, 5 are analog amplifiers, 6 - discriminators, 7 - match patterns.

Рассмотрим работу устройства на примере фиг.1. Преобразователи излучения 1 выполнены в виде прямых параллелепипедов (в частности, кубиков) и не имеют оптического контакта между собой. Каждый преобразователь излучения 1 имеет контакт с двумя скрещивающимися во взаимно перпендикулярных направлениях светопереизлучающими элементами 2. При возникновении сцинтилляционной вспышки в преобразователе 4 (фиг.1) фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих элемента 2, где переизлучаются и распространяются по светопереизлучающим элементам 2 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего материала. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих элементов 2, регистрируют фотодетекторами 3. Положение преобразователя излучения 4, в котором произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам фотодетекторов 3, на которых сигнал появился практически одновременно.Consider the operation of the device in the example of figure 1. Radiation converters 1 are made in the form of direct parallelepipeds (in particular, cubes) and do not have optical contact with each other. Each radiation transducer 1 has contact with two light-emitting elements 2 crossing in mutually perpendicular directions. When a scintillation flash occurs in the converter 4 (Fig. 1), the photons from this flash fall into two crossed light-emitting elements 2, where they are re-emitted and propagated through the light-emitting elements 2 to their ends due to total internal reflection from the coating of reflective material. Photons arriving at the ends of the light-emitting elements 2 are registered by photodetectors 3. The position of the radiation transducer 4, in which the scintillation flash occurred, is determined by the numbers of photodetectors 3, on which the signal appeared almost simultaneously.

Преобразователи излучения 1 покрыты светоотражающим материалом для увеличения количества фотонов, попадающих в светопереизлучающие элементы 2, и светозащитным материалом, чтобы свет не попал в соседние преобразователи излучения 1 и соответствующие им светопереизлучающие элементы 2.Radiation converters 1 are coated with reflective material to increase the number of photons entering the light-emitting elements 2, and light-protective material so that light does not get into adjacent radiation converters 1 and their corresponding light-emitting elements 2.

Преобразователи излучения 1 выполняют из различных материалов, что позволяет регистрировать любой вид излучения. Для регистрации рентгеновского и гамма-излучений в состав детектора вводят преобразователи излучения 1 из сцинтилляторов: NaI, CsI, BGO, BaF₂ и другие. Для регистрации тепловых нейтронов вводят пластмассовый сцинтиллятор с добавками бора или слои сцинтиллятора на основе изотопа лития-6 (Li⁶FZnS) или бора-10. Для регистрации быстрых нейтронов и гамма-излучений вводят преобразователи на основе пластмассовых сцинтилляторов.Radiation converters 1 are made of various materials, which allows you to register any type of radiation. To register x-ray and gamma radiation, radiation scanners 1 from scintillators: NaI, CsI, BGO, BaF ₂ and others are introduced into the detector. To register thermal neutrons, a plastic scintillator with boron additives or scintillator layers based on the lithium-6 isotope (Li ⁶ FZnS) or boron-10 are introduced. To register fast neutrons and gamma radiation, transducers based on plastic scintillators are introduced.

Тип преобразователей 1, их количество, размер, форма и расстояние между преобразователями определяют исходя из требований к системе регистрации. Ограничения на указанные параметры накладывают эффективность сбора света с преобразователя излучения на светопереизлучающий элемент и длину затухания света в светопереизлучающих элементах, которая достигает нескольких метров.The type of transducers 1, their number, size, shape and distance between the transducers is determined based on the requirements of the registration system. Limitations on these parameters impose the efficiency of light collection from the radiation converter to the light-emitting element and the length of the light attenuation in the light-emitting elements, which reaches several meters.

Светопереизлучающие элементы 2 выполняют из пластмассового сцинтиллятора со спектросмещающими добавками, покрывают оболочкой из прозрачного материала, обычно из полиметилметакрилата, с коэффициентом преломления, меньшим, чем пластмассовый сцинтиллятор, для увеличения количества фотонов, транспортируемых к фотодетекторам. Для уменьшения числа фотонов, которые могут попасть в соседние светопереизлучающие элементы 2, переизлучиться и попасть в соседние фотодетекторы 3, их экранируют друг от друга светонепроницаемым материалом.The light-emitting elements 2 are made of a plastic scintillator with spectroscopic additives, covered with a sheath of a transparent material, usually polymethyl methacrylate, with a refractive index less than a plastic scintillator to increase the number of photons transported to photodetectors. In order to reduce the number of photons that can get into neighboring light-emitting elements 2, reradiate and get into neighboring photodetectors 3, they are shielded from each other by an opaque material.

В качестве фотодетекторов используют двухкоординатные ФЭУ или фотодиоды. В случае фотодиодов для уменьшения влияния их собственных шумов фотодиоды попарно включают по схеме совпадений. Для этого вместо одного светопереизлучающего элемента 2 в оптический контакт с преобразователем излучения 1 приводят два светопереизлучающих элемента 2, расположенных в одном направлении (фиг.5).As photodetectors, two-axis PMTs or photodiodes are used. In the case of photodiodes, in order to reduce the influence of their own noise, photodiodes are switched on in pairs according to the coincidence scheme. For this, instead of one light-emitting element 2, two light-emitting elements 2 are arranged in the same direction in optical contact with the radiation converter 1 (FIG. 5).

Оптический контакт светопереизлучающих элементов 2 и фотодетекторов выполнен либо непосредственно, либо с помощью промежуточного оптоволокна. Фотодетекторы и последующие электронные схемы располагают с одной стороны от устройства. Расстояние, на котором фотодетекторы и электронные схемы располагают от устройства, ограничено длиной затухания света в спектросмещающих элементах и оптоволокне и может достигать нескольких метров. Размещение преобразователей излучения 1 в узлах трехмерной координатной сетки и удаление фотодетекторов от преобразователей излучения делает устройство нечувствительным к положению устройства относительно источника излучения и обеспечивает возможность защиты электроники от воздействия излученийThe optical contact of the light-emitting elements 2 and photodetectors is made either directly or using an intermediate optical fiber. Photo detectors and subsequent electronic circuits are located on one side of the device. The distance at which photodetectors and electronic circuits are located from the device is limited by the attenuation length of the light in the spectroscopic elements and the optical fiber and can reach several meters. Placing radiation converters 1 in the nodes of a three-dimensional coordinate grid and removing photodetectors from radiation converters makes the device insensitive to the position of the device relative to the radiation source and provides the ability to protect the electronics from radiation

Для уменьшения числа каналов регистрации, в том числе, количества фотодетекторов, преобразователи излучений 1 располагают на расстоянии друг от друга. При этом для получения дополнительной информации об излучении или повышения эффективности регистрации путем изменения спектра излучения или его преобразования в другой вид излучения промежутки между преобразователями заполняют одним или несколькими материалами. При регистрации быстрых нейтронов путем их замедления и регистрации замедлившихся нейтронов с помощью преобразователей излучения 1 из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора или содержащих слои сцинтиллятора на основе изотопа лития-6 (L⁶FZnS) или бора-10 промежутки заполняют водородосодержащим веществом, например полиэтиленом, который эффективно замедляет быстрые нейтроны. При регистрации гамма-излучения промежутки заполняют веществом с большим зарядом ядра, например свинцом, который преобразует гамма-излучение в более мягкое излучение и электроны, которые более эффективно регистрируются.To reduce the number of registration channels, including the number of photodetectors, radiation converters 1 are placed at a distance from each other. In this case, to obtain additional information about radiation or to increase the detection efficiency by changing the radiation spectrum or converting it to another type of radiation, the gaps between the transducers are filled with one or more materials. When registering fast neutrons by slowing them down and registering slow neutrons using radiation converters 1 made of scintillating plastic with additives of boron or containing scintillator layers based on lithium-6 isotope (L ⁶ FZnS) or boron-10, the gaps are filled with a hydrogen-containing substance, for example polyethylene, which effectively slows fast neutrons. When registering gamma radiation, the gaps are filled with a substance with a large nuclear charge, for example lead, which converts gamma radiation into softer radiation and electrons that are more efficiently recorded.

Claims

A scintillation detector containing N radiation transducers with rows of light-emitting fibers fixed to them and photodetectors, characterized in that the radiation transducers are located at the intersection points of a two- or three-dimensional coordinate grid, each radiation transducer is connected in series with neighboring at least two directions of the coordinate mesh linear light-emitting elements attached to each radiation converter with an optical contact, and the converters and radiation and linear svetopereizluchayuschie coated retroreflective elements and sunscreen materials.