RU2449319C1

RU2449319C1 - Scintillation detector

Info

Publication number: RU2449319C1
Application number: RU2010145145/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2012-04-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: scintillation detector, having N radiation converters fitted with rows of light-reemitting fibres coated with light-reflecting and light-protective materials and photodetectors, where the slow and/or fast neutron radiation converters are in form of regular three-dimensional figures arranged layerwise in rows in parallel planes, where each radiation converter is connected in series to neighbouring radiation converters by two light-reemitting fibres on the diagonals of opposite faces of the regular three-dimensional figure in crossing directions, wherein the radiation converters and the light-reemitting fibres are fitted with contact in grooves of adjacent rows of radiation converters, and the area occupied by the converters in each layer is smaller than the area on the previous layer moving away from the geometric centre of the detector.

EFFECT: design of a universal scintillation detector.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к сцинтилляционным детекторам для регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников излучений различного происхождения, определения направления на них и их идентификации, для измерения спектра быстрых нейтронов, в установках, предназначенных для обнаружения радиоактивных источников, делящихся веществ, в физических исследованиях.The invention relates to scintillation detectors for detecting ionizing radiation, detecting radiation sources of various origins, determining their direction and identifying them, for measuring the spectrum of fast neutrons, in installations designed to detect radioactive sources, fissile substances, in physical research.

Известен сферический спектрометр Боннера, состоящий из пяти детекторов, каждый из которых содержит детектор тепловых нейтронов, расположенный в центре сферического замедлителя, и отличающихся диаметром сфер от 5,08 см до 30,48 см. Определение спектра быстрых нейтронов основано на различной для каждого детектора зависимости функции отклика (эффективности регистрации) от энергии быстрых нейтронов на процедуре и деконволюции данных, полученных со всех детекторов. Сферическая форма замедлителя обеспечивает изотропность функции отклика. R.L.Bramblett, R.I.Ewing, T.W.Bonner: Nucl. Instr. Meth. 9, p.125 (1960).The Bonner spherical spectrometer is known, consisting of five detectors, each of which contains a thermal neutron detector located in the center of the spherical moderator, and differing in diameter from 5.08 cm to 30.48 cm in diameter. The definition of the fast neutron spectrum is based on different dependencies for each detector response functions (detection efficiency) of fast neutron energy on the procedure and deconvolution of data obtained from all detectors. The spherical shape of the moderator provides an isotropic response function. R.L. Bramblett, R.I. Ewing, T.W. Bonner: Nucl. Instr. Meth. 9, p. 125 (1960).

Известен детектор годоскопа, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, отличающийся тем, что сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде покрытых светоотражающей оболочкой стержней с прямоугольным сечением а·b, стержни скомпонованы в пакет размерами k·b - по высоте, n·a - по ширине и длиной m·a, где а - ширина стержня пакета, b - высота стержня пакета, k - количество стержней по высоте пакета, n - количество стержней по ширине пакета, m - количество стержней по длине пакета, по крайней мере, на одной из граней каждого стержня пакета выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, по крайней мере, одна грань пакета последовательно покрыта двумя парами пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов, каждая пара разделена дополнительными пластинами из веществ, ослабляющих соответствующие виды излучений, фотодиоды и пары пластин для регистрации тепловых нейтронов и для регистрации гамма-квантов обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. Патент Российской Федерации №2308742, G01T 3/06, G01T 1/20, 2006.A hodoscope detector is known, comprising a block of hydrogen-containing scintillating optical elements arranged in rows alternately in two mutually perpendicular directions, and photodetectors, characterized in that the scintillating optical elements are made in the form of rods coated with a reflective shell with a rectangular section a · b, the rods are arranged in a package of dimensions k · b - in height, n · a - in width and length m · a, where a - the width of the package rod, b - the height of the package rod, k - the number of rods by package height, n - the number of days along the width of the packet, m is the number of rods along the length of the packet, at least one of the faces of each rod of the packet has grooves, scintillating fibers are placed in the grooves, photodiodes are located at the ends of the fibers, at least one face of the packet is sequentially coated with two pairs plates for detecting thermal neutrons and for detecting gamma rays, each pair is separated by additional plates of substances that attenuate the corresponding types of radiation, photodiodes and pairs of plates for detecting thermal neutrons and for EGISTRATION gamma quanta are provided terminals for connection to circuitry registration scintillation flashes. Patent of the Russian Federation No. 2308742, G01T 3/06, G01T 1/20, 2006.

Известен сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, в котором преобразователи излучения расположены в точках пересечения трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, причем преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами. Патент Российской Федерации №92970, G01T 1/20, 2006. Прототип.A scintillation detector is known that contains N radiation converters with rows of light-emitting fibers fixed to them and photodetectors, in which radiation converters are located at the intersection points of a three-dimensional coordinate grid, each radiation converter is connected in series with neighboring radiation converters by linear light-emitting elements mounted on each radiation converter with an optical contact, and radiation converters and linear light emitting Elements are covered with reflective and light-protective materials. Patent of the Russian Federation No. 92970, G01T 1/20, 2006. Prototype.

Недостатками аналогов и прототипа являются: ограниченные функциональные возможности, обусловленные недостаточной степенью сегментирования и пространственной анизотропией свойств, относительная высокая стоимость, зависящая от количества детекторов или сцинтиллирующих оптических элементов, относительно небольшая эффективность регистрации ионизирующих излучений, обусловленная относительно низким коэффициентом светосбора сцинтилляционных фотонов светопереизлучающими волокнами.The disadvantages of analogues and prototype are: limited functionality due to insufficient degree of segmentation and spatial anisotropy of properties, relative high cost, depending on the number of detectors or scintillating optical elements, relatively low detection efficiency of ionizing radiation, due to the relatively low light scattering coefficient of scintillation photons by light-emitting fibers.

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

Техническим результатом изобретения является формирование универсального сцинтилляционного детектора, содержащего преобразователи как тепловых, так и быстрых нейтронов, увеличение функциональных возможностей детектора за счет увеличения объема данных при регистрации нейтронного излучения преобразователями двух типов, уменьшение времени проведения измерений, уменьшение количества детекторов или каналов регистрации, увеличение эффективности светосбора сцинтилляционных фотонов светопереизлучающим волокном.The technical result of the invention is the formation of a universal scintillation detector containing both thermal and fast neutron converters, increasing the detector's functionality by increasing the amount of data during registration of neutron radiation by two types of converters, reducing the measurement time, reducing the number of detectors or registration channels, increasing the efficiency light collection of scintillation photons by a light emitting fiber.

Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон, покрытых светоотражающим и светозащитным материалами, и фотоприемники, преобразователи излучения тепловых и/или быстрых нейтронов выполнены в виде правильных объемных фигур, расположенных послойно рядами в параллельных плоскостях, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения двумя светопереизлучающими волокнами по диагоналям противоположных граней правильной объемной фигуры в перекрещивающихся направлениях, преобразователи излучения и светопереизлучающие волокна установлены с контактом в канавках смежных рядов преобразователей излучения, а площадь, занимаемая преобразователями в каждом слое, меньше площади предыдущего слоя по мере удаления от геометрического центра детектора. Преобразователи излучения тепловых нейтронов изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора-10 или лития-6 или из кристаллов ⁶LiI. Преобразователи излучения быстрых нейтронов изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы.The technical result is achieved in that in a scintillation detector containing N radiation transducers with rows of light-emitting fibers coated with reflective and light-shielding materials fixed to them, and photodetectors, thermal and / or fast neutron radiation converters are made in the form of regular volumetric figures arranged in layers in rows in parallel planes, each radiation converter is connected in series with adjacent radiation converters by two light-emitting fibers buttons along the diagonals of opposite faces of the correct volumetric figure in intersecting directions, the radiation converters and light-emitting fibers are installed with contact in the grooves of adjacent rows of radiation converters, and the area occupied by the converters in each layer is smaller than the area of the previous layer with distance from the geometric center of the detector. Thermal neutron radiation converters are made of scintillating plastic with the addition of boron-10 or lithium-6 or ⁶ LiI crystals. Fast neutron radiation converters are made of scintillating plastic.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4.The invention is illustrated in figures 1-4.

На Фиг.1 показаны рассчитанные пространственные распределения сигналов, которые вызываются в преобразователях излучения тепловыми (1, 2) и быстрыми (3, 4) нейтронами в зависимости от расстояния Х между преобразователем излучения и облучаемой поверхностью, где 1, 2 - нормированный сигнал, возникающий в преобразователях, регистрирующих тепловые нейтроны, 3, 4 - нормированный сигнал, возникающий в преобразователях, регистрирующих быстрые нейтроны. Кривые 1 и 4 - для нейтронов спектра деления, кривые 2 и 3 - для нейтронов, излучаемых Pu-Be источником. Расчеты проведены для кубического детектора с размером стороны 24 см в предположении параллельного пучка и малого влияния преобразователей излучений на пространственные распределения.Figure 1 shows the calculated spatial distribution of signals that are caused in radiation converters by thermal (1, 2) and fast (3, 4) neutrons, depending on the distance X between the radiation converter and the irradiated surface, where 1, 2 is the normalized signal arising in converters registering thermal neutrons, 3, 4 - the normalized signal that occurs in converters registering fast neutrons. Curves 1 and 4 for neutrons in the fission spectrum, curves 2 and 3 for neutrons emitted by a Pu-Be source. The calculations were performed for a cubic detector with a side size of 24 cm under the assumption of a parallel beam and a small effect of radiation converters on spatial distributions.

На Фиг.2 представлен пример расположения преобразователей излучений тепловых и быстрых нейтронов в одной из плоскостей детектора, где 5 - преобразователи излучения тепловых нейтронов, 6 - преобразователи излучения быстрых нейтронов. Преобразователи излучения выполнены в виде кубов.Figure 2 shows an example of the arrangement of thermal and fast neutron radiation converters in one of the detector planes, where 5 are thermal neutron radiation converters, 6 are fast neutron radiation converters. Radiation converters are made in the form of cubes.

На Фиг.3 представлен пример диагонального расположения светопереизлучающих волокон 7. Диагональное расположение по сравнению с расположением волокна вдоль одной из сторон увеличивает эффективность сбора сцинтилляционных фотонов на светопереизлучающее волокно 7. Увеличение светосбора приводит к уменьшению пороговой энергии регистрируемого излучения. Светопереизлучающие волокна 7 расположены в параллельных плоскостях, причем в одной плоскости вдоль одной диагонали преобразователя излучения 5, 6, а в другой плоскости по диагонали, перпендикулярной верхней диагонали.Figure 3 presents an example of the diagonal arrangement of light-emitting fibers 7. The diagonal arrangement compared to the location of the fiber along one of the sides increases the efficiency of collecting scintillation photons on the light-emitting fiber 7. An increase in light collection leads to a decrease in the threshold energy of the detected radiation. The light-emitting fibers 7 are located in parallel planes, moreover, in one plane along one diagonal of the radiation transducer 5, 6, and in another plane along a diagonal perpendicular to the upper diagonal.

На Фиг.4 представлен пример устройства, в котором площадь, занимаемая преобразователями в каждом слое, уменьшается по мере удаления от геометрического центра детектора. Светопереизлучающие волокна 7 на поверхности верхнего ряда преобразователей не показаны. Расположение преобразователей излучения тепловых 5 и быстрых 6 нейтронов показано лишь для верхней плоскости преобразователей излучения 5, 6. Линейное светопереизлучающее волокно 7 каждого предыдущего ряда преобразователей излучения 5, 6 является верхним линейным светопереизлучающим волокном 7 следующего ряда преобразователей излучения 5, 6. Использование одного волокна для смежных рядов преобразователей излучения 5, 6 уменьшает количество каналов считывания и уменьшает стоимость детектора.Figure 4 presents an example of a device in which the area occupied by the transducers in each layer decreases with distance from the geometric center of the detector. Light emitting fibers 7 on the surface of the upper row of converters are not shown. The arrangement of thermal 5 and fast 6 neutron radiation converters is shown only for the upper plane of radiation converters 5, 6. The linear light emitting fiber 7 of each previous row of radiation converters 5, 6 is the upper linear light emitting fiber 7 of the next series of radiation converters 5, 6. Using one fiber for adjacent rows of radiation converters 5, 6 reduces the number of reading channels and reduces the cost of the detector.

Рассмотрим работу устройства. Преобразователи излучения тепловых 5 и быстрых 6 нейтронов выполнены в виде кубиков и не имеют оптического контакта между собой. Каждый преобразователь излучения 5 и 6 имеет контакт с двумя скрещивающимися во взаимно перпендикулярных направлениях светопереизлучающими волокнами 7. При возникновении сцинтилляционной вспышки в каком-либо преобразователе излучения 5 или 6 фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих волокна 7, где переизлучаются и распространяются по волокнам 7 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего материала. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих волокон 7, регистрируют фотодетекторами (на фигурах не показаны). Положение преобразователя излучения 5 или 6, в котором произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам фотодетекторов, на которых сигнал появился практически одновременно.Consider the operation of the device. Radiation converters of thermal 5 and fast 6 neutrons are made in the form of cubes and do not have optical contact with each other. Each radiation transducer 5 and 6 has contact with two light-emitting fibers 7 crossing in mutually perpendicular directions 7. When a scintillation flash occurs in any radiation converter 5 or 6, the photons from this flash enter two crossing light-emitting fibers 7, where they are re-emitted and propagated through the fibers 7 to their ends due to total internal reflection from the coating of reflective material. Photons arriving at the ends of the light emitting fibers 7 are recorded by photodetectors (not shown in the figures). The position of the radiation transducer 5 or 6, in which the scintillation flash occurred, is determined by the numbers of photodetectors at which the signal appeared almost simultaneously.

Преобразователи излучения 5 или 6 покрыты светоотражающим материалом для увеличения количества фотонов, попадающих в светопереизлучающие волокна 7, и светозащитным материалом, чтобы свет не попал в соседние преобразователи излучения 5 или 6 и соответствующие им светопереизлучающие волокна 7. Светопереизлучающие волокна 7 выполняют из пластмассового сцинтиллятора со спектросмещающими добавками, покрыты оболочкой из прозрачного материала, обычно из полиметилметакрилата, с коэффициентом преломления, меньшим, чем пластмассовый сцинтиллятор, для увеличения количества фотонов, транспортируемых к фотодетекторам (на фигурах не показаны).Radiation converters 5 or 6 are coated with a light-reflecting material to increase the number of photons entering the light-emitting fibers 7 and light-protective material so that light does not get into adjacent radiation converters 5 or 6 and their corresponding light-emitting fibers 7. The light-emitting fibers 7 are made of a plastic scintillator with spectroscopic additives coated with a sheath of a transparent material, usually polymethyl methacrylate, with a refractive index less than plastic scintillation Op, to increase the number of photons transported to the photodetectors (not shown in the figures).

В качестве фотодетекторов используют двухкоординатные ФЭУ или фотодиоды. В случае фотодиодов для уменьшения влияния их собственных шумов фотодиоды попарно включают по схеме совпадений.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.

Преобразователи излучения тепловых нейтронов 5 изготовлены из сцинтиллирующей пластмассы с добавками бора-10 или лития-6 или из кристаллов ⁶LiI. Преобразователи излучения быстрых нейтронов 6 изготавливают из сцинтиллирующей пластмассы, обычно, полистирола. Восстановление спектра быстрых нейтронов производится с использованием полученных пространственных распределений сигналов от тепловых и быстрых нейтронов и сопоставлением этих распределений с расчетными распределениями (например, показанными на Фиг.1). Высокая степень сегментирования детектора обеспечивает достаточно большой объем данных для их деконволюции. В расчете используют данные со всех детекторов и/или с детекторов, расположенных на различных поверхностях, в том числе, на сферических. Близость внешней формы детектора к сферической уменьшает зависимость эффективности регистрации от взаимного расположения источника и детектора и обеспечивает более точное восстановление спектра быстрых нейтронов. Наличие пространственно распределенной решетки преобразователей излучения 5 и 6 обеспечивает нахождение положения источника излучения в пространстве по направлению спада интенсивности сигнала, вызываемого излучением (Фиг.1).Thermal neutron radiation converters 5 are made of scintillating plastic with the addition of boron-10 or lithium-6 or ⁶ LiI crystals. The fast neutron radiation converters 6 are made of scintillating plastic, usually polystyrene. The spectrum of fast neutrons is restored using the obtained spatial distributions of signals from thermal and fast neutrons and comparing these distributions with the calculated distributions (for example, shown in FIG. 1). A high degree of detector segmentation provides a sufficiently large amount of data for their deconvolution. The calculation uses data from all detectors and / or from detectors located on different surfaces, including spherical ones. The proximity of the external shape of the detector to spherical reduces the dependence of the detection efficiency on the relative position of the source and the detector and provides a more accurate reconstruction of the spectrum of fast neutrons. The presence of a spatially distributed array of radiation converters 5 and 6 ensures that the position of the radiation source is located in space in the direction of the decrease in the intensity of the signal caused by the radiation (Figure 1).

Количество, размер, форму преобразователей излучения 5 и 6 и их взаимное расположение определяют исходя из требований к системе регистрации. Ограничения на указанные параметры накладывают степень ослабления тепловых нейтронов в преобразователе излучения 6, эффективность сбора света с преобразователей излучения 5 и 6 на светопереизлучающее волокно 7 и длина затухания света в светопереизлучающих волокнах 7, которая достигает нескольких метров. Оптимальный размер преобразователя излучения обычно составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.The number, size, shape of radiation converters 5 and 6 and their relative position are determined based on the requirements of the registration system. Limitations on these parameters are imposed by the degree of attenuation of thermal neutrons in the radiation converter 6, the efficiency of light collection from the radiation converters 5 and 6 to the light-emitting fiber 7, and the light attenuation length in the light-emitting fibers 7, which reaches several meters. The optimal size of the radiation converter is usually from a few millimeters to several centimeters.

Claims

1. A scintillation detector containing N radiation converters with rows of light-emitting fibers fixed to them, coated with reflective and light-shielding materials, and photodetectors, characterized in that the thermal and / or fast neutron radiation converters are made in the form of regular volumetric figures arranged in rows parallel to each other planes, each radiation converter is connected in series with adjacent radiation converters by two light-emitting fibers along the diagonals of oppositely faces the correct volumetric shapes in intersecting directions and the radiation converter svetopereizluchayuschie fiber installed in contact with the grooves of adjacent rows of the emission transducers and the area occupied by the transducers in each layer, less than the area of the previous layer with increasing distance from the geometric center of the detector.

2. The scintillation detector according to claim 1, characterized in that the thermal neutron radiation converters are made of scintillating plastic with the addition of boron-10 or lithium-6, or ⁶ LiI crystals.

3. The scintillation detector according to claim 1, characterized in that the fast neutron radiation converters are made of scintillating plastic.