RU2574416C1

RU2574416C1 - Scintillation detector

Info

Publication number: RU2574416C1
Application number: RU2014147348/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Микеров
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: scintillation detector comprises an assembly of scintillating fibres for detecting gamma radiation, slow and fast neutrons in the form of a ring, as well as two photodetectors placed at opposite ends of the assembly of scintillating fibres in optical contact therewith, wherein the assembly of scintillating fibres is in the form of one or more stacked annular layers with a common axis, the scintillating fibres are provided with light-reflecting covers and light-impermeable coatings and are arranged on a circle; scintillating fibres for detecting different types of radiations are placed in different annular layers; opposite ends of the scintillating fibres are optically connected to two photodetector arrays, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or greater than the number of scintillating fibres.

EFFECT: providing spatial resolution of the detector.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов большой площади, обладающих пространственным разрешением, применяемых, например, при регистрации обратно рассеянного излучения, или в установках, предназначенных для обнаружения радиационных источников.The invention relates to the field of registration of ionizing radiation and can be used to create large-area radiation detectors with spatial resolution, used, for example, when registering back-scattered radiation, or in installations designed to detect radiation sources.

Известен «Сцинтилляционный детектор, содержащий плоский кольцевой сцинтилляционный кристалл», расположенный между материалом и источником излучения, обращенный к материалу и адаптированный для регистрации отраженного от материала излучения, фотоэлектрическое устройство, сопряженное с сцинтилляционным кристаллом, предназначенное для регистрации возникающего света и преобразования его в электрический импульс, а также светоотражающее покрытие, предназначенное для отражения света внутрь на фотоэлектрическое устройство. Патент США №3,319,065, МПК G01T 1/20, 1967. Аналог.Known "Scintillation detector containing a flat annular scintillation crystal" located between the material and the radiation source, facing the material and adapted to register the radiation reflected from the material, a photovoltaic device coupled to a scintillation crystal, designed to detect the resulting light and convert it into an electrical pulse as well as a reflective coating designed to reflect light inwardly onto a photovoltaic device. US patent No. 3.319.065, IPC G01T 1/20, 1967. Analog.

Недостатком аналога является невозможность определения места попадания излучения в детектор, т.е. отсутствие у него пространственного разрешения.The disadvantage of the analogue is the impossibility of determining the location of radiation in the detector, i.e. his lack of spatial resolution.

Известен «Многосекционный кольцевой детектор тепловых нейтронов для исследования дифракции на микрообразцах в аксиальной геометрии» (Письма в ЭЧАЯ. 2013. Т. 10, №5 (182). С. 713-721), в котором детекторное кольцо разделено на 16 секторов, разделенных на шесть независимых детекторных элементов, расположенных в общем газовом объеме, содержащем газ гелий-3 под давлением 4 атм. Внешний радиус кольца составляет 800 мм, а внутренний 637 мм. Аналог.The well-known "Multisectional ring thermal neutron detector for the study of diffraction by microsamples in axial geometry" (Letters in ECHAYA. 2013. V. 10, No. 5 (182). S. 713-721), in which the detection ring is divided into 16 sectors, divided six independent detector elements located in a common gas volume containing helium-3 gas at a pressure of 4 atm. The outer radius of the ring is 800 mm, and the inner 637 mm. The analogue.

Недостатками аналога является низкое пространственное разрешение, обусловленное сравнительно большим размером (123×40×12 мм) детекторного элемента и малым их количеством (96), невозможность применения устройства для регистрации гамма-излучения и быстрых нейтронов, сложность конструкции и обслуживания.The disadvantages of the analogue are the low spatial resolution due to the relatively large size (123 × 40 × 12 mm) of the detector element and their small number (96), the inability to use the device for detecting gamma radiation and fast neutrons, and the complexity of the design and maintenance.

Известен «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, 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. Аналог.The well-known "Coordinate-sensitive detector" containing a block of scintillating optical elements with light-emitting fibers, the ends of which are photodiodes, photodiodes are equipped with leads for connection with registration schemes of scintillation flashes, the block is made in the form of at least one scintillating plate containing, at least 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 registration circuit with output register. Patent of the Russian Federation No. 2351954, G01T 3/06, 2009. Analog.

Недостатком аналога является низкое пространственное разрешение детектора, определяемое расстоянием между светопереизлучающими волокнами.A disadvantage of the analogue is the low spatial resolution of the detector, determined by the distance between the light-emitting fibers.

Известны «Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел», в котором устройство включает в себя источник гамма-излучения в радиационной защите и детектор со счетчиком импульсов и сцинтиллятором, в двухканальном детекторе сцинтиллятор выполнен в виде диска из двух колец разных диаметров, причем в кольцо большего диаметра вставлено кольцо меньшего диаметра, внутрь которого вставлен кольцевой блок радиационной защиты, в центре которого размещен источник гамма-излучения и при этом каждый из двух кольцевых сцинтилляторов снабжен кольцевым счетчиком импульсов, причем источник в канале радиационной защиты имеет возможность менять положение с помощью устройства перемещения источника. Патент РФ №2345353, МПК: G01N 23/06, G01N 9/24. 2009 г. Аналог.The known "Method and device for radiation density measurement of solids", in which the device includes a gamma radiation source in radiation protection and a detector with a pulse counter and a scintillator, in a two-channel detector, the scintillator is made in the form of a disk of two rings of different diameters, and a ring of larger diameter a ring of a smaller diameter is inserted, into which a ring block of radiation protection is inserted, in the center of which a gamma radiation source is placed and each of the two ring scintillas provided with an annular tori pulse counter, wherein the source of radiation protection in the channel has a possibility to change position by moving the source device. RF patent No. 2345353, IPC: G01N 23/06, G01N 9/24. 2009. Analog.

Недостатком аналога является низкое пространственное разрешение сцинтилляционного детектора, определяемое числом колец (всего два) сцинтиллятора и отсутствием углового разрешения у кольцевых сцинтилляторов.A disadvantage of the analogue is the low spatial resolution of the scintillation detector, which is determined by the number of rings (only two) of the scintillator and the lack of angular resolution of the ring scintillators.

Известен «Световолоконный сцинтилляционный детектор», содержащий сборку сцинтилляционных волокон для регистрации гамма-излучения, тепловых и быстрых нейтронов, которая помещена в единую оболочку с внутренним светоотражающим покрытием, сборка выполнена в виде сцинтилляционного кабеля и имеет форму кольца или арки, а фотоприемное устройство состоит из двух фотоприемников, расположенных в противоположных торцах сборки. Патент РФ №2323453, МПК: G01T 3/20, 2008 г. Прототип.The well-known "Fiber-optic scintillation detector" containing an assembly of scintillation fibers for detecting gamma radiation, thermal and fast neutrons, which is placed in a single shell with an internal reflective coating, the assembly is made in the form of a scintillation cable and has the shape of a ring or arch, and the photodetector consists of two photodetectors located at opposite ends of the assembly. RF patent No. 23233453, IPC: G01T 3/20, 2008. Prototype.

Недостатком прототипа является отсутствие у него пространственного разрешения.The disadvantage of the prototype is the lack of spatial resolution.

Техническим результатом изобретения является обеспечение пространственного разрешения.The technical result of the invention is the provision of spatial resolution.

Технический результат достигается тем, что сцинтилляционный детектор, содержащий сборку сцинтиллирующих волокон для регистрации гамма-излучения, тепловых и быстрых нейтронов в форме кольца, а также два фотоприемника, расположенные на противоположных торцах сборки сцинтиллирующих волокон в оптическом контакте с ними, сборка сцинтиллирующих волокон выполнена в виде одного или нескольких лежащих друг на друге кольцевых слоев с общей осью, сцинтиллирующие волокна снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, расположены по окружности, сцинтиллирующие волокна для регистрации разных видов излучений располагаются в разных кольцевых слоях, противоположные торцы сцинтиллирующих волокон соединены оптически с двумя матричными фотоприемниками, число фоточувствительных элементов в каждом из которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон.The technical result is achieved by the fact that a scintillation detector containing an assembly of scintillating fibers for detecting gamma radiation, thermal and fast neutrons in the form of a ring, as well as two photodetectors located on opposite ends of the assembly of scintillating fibers in optical contact with them, the assembly of scintillating fibers is made in in the form of one or several annular layers lying on each other with a common axis, the scintillating fibers are provided with reflective shells and opaque coatings, p They are arranged around the circumference, scintillating fibers for recording different types of radiation are located in different annular layers, the opposite ends of the scintillating fibers are optically connected to two matrix photodetectors, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or greater than the number of scintillating fibers.

Сущность изобретения поясняется на Чертеже, где схематично показано устройство, состоящее из двух угловых секций, каждая из которых содержит три слоя сцинтиллирующих волокон:The invention is illustrated in the Drawing, which schematically shows a device consisting of two corner sections, each of which contains three layers of scintillating fibers:

1 - ось устройства;1 - axis of the device;

2, 3, 4 - кольцевые слои;2, 3, 4 - annular layers;

5, 6, 7 - сцинтиллирующие волокна для регистрации различных видов излучений;5, 6, 7 — scintillating fibers for recording various types of radiation;

8 - матричные фотоприемники.8 - matrix photodetectors.

Устройство содержит сборку сцинтиллирующих волокон в виде одного или нескольких лежащих друг на друге кольцевых слоев 2-4 с осью 1, составленных из сцинтиллирующих волокон 5-7 со светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями и расположенных в каждом кольцевом слое по окружности. Матричные фотоприемники 8 расположены на противоположных торцах сцинтиллирующих волокон 5-7 в оптическом контакте с ними. Каждый из матричных фотоприемников 8 содержит набор фоточувствительных элементов, количество которых равно или больше числа сцинтиллирующих волокон в устройстве.The device comprises an assembly of scintillating fibers in the form of one or more annular layers 2-4 lying on each other with axis 1, composed of scintillating fibers 5-7 with reflective claddings and opaque coatings and arranged in a circle around each annular layer. Matrix photodetectors 8 are located on opposite ends of scintillating fibers 5-7 in optical contact with them. Each of the matrix photodetectors 8 contains a set of photosensitive elements, the number of which is equal to or greater than the number of scintillating fibers in the device.

Кольцевая форма устройства позволяет располагать на его оси 1 источник излучения и использовать устройство для регистрации излучения, рассеянного от объектов, помещенных перед источником, как в случае, например, определения характеристик дорожных покрытий, обеспечивая при этом позиционную чувствительность (пространственное разрешение).The ring shape of the device allows you to position the radiation source on its axis 1 and use the device to register radiation scattered from objects placed in front of the source, as in the case, for example, of determining the characteristics of road surfaces, while ensuring positional sensitivity (spatial resolution).

Кольцевые слои содержат сцинтиллирующие волокна, изготовленные из материалов, чувствительных к разным видам излучений: 1) гамма-излучению, 2) быстрым нейтронам, 3) тепловым нейтронам, которые на чертеже показаны различной штриховкой.The annular layers contain scintillating fibers made of materials sensitive to different types of radiation: 1) gamma radiation, 2) fast neutrons, 3) thermal neutrons, which are shown in the figure by different hatching.

Для обеспечения равномерности свойств устройства вдоль его плоскости сцинтиллирующие волокна 5-7, чувствительные к гамма-излучению, быстрым или тепловым нейтронам, располагаются в различных кольцевых слоях.To ensure uniform properties of the device along its plane, scintillating fibers 5-7, sensitive to gamma radiation, fast or thermal neutrons, are located in various annular layers.

Число кольцевых слоев N из сцинтиллирующих волокон, предназначенных для регистрации одного вида излучения, определяется требованиями к эффективности регистрации и обычно определяется из соотношения:The number of annular layers N of scintillating fibers intended for recording one type of radiation is determined by the requirements for registration efficiency and is usually determined from the ratio:

где d - поперечный размер сцинтиллирующих волокон, предназначенных для регистрации одного вида излучения, Σ - макроскопическое сечение взаимодействия излучения с веществом сцинтиллирующих волокон, предназначенных для регистрации одного вида излучения.where d is the transverse size of the scintillating fibers intended for registration of one type of radiation, Σ is the macroscopic cross section for the interaction of radiation with the substance of scintillating fibers intended for recording one type of radiation.

Количество кольцевых слоев и виды используемых сцинтиллирующих волокон определяются назначением устройства, условиями его эксплуатации и техническими требованиями к его характеристикам.The number of annular layers and the types of scintillating fibers used are determined by the purpose of the device, its operating conditions and technical requirements for its characteristics.

В настоящее время изготавливают сцинтиллирующие волокна из различных материалов (Н.В. Классен, В.Н. Курлов, С.Н. Россоленко, О.А. Кривко, А.Д. Орлов, С.З. Шмурак. Сцинтилляционные волокна и наносцинтилляторы для улучшения пространственного, спектрометрического и временного разрешения радиационных детекторов. Известия РАН. Серия Физическая, 2009, том 73, №10, с. 1451-1456; Патент РФ №2411543, МПК:G01T 1/20, 2008 г.) и с различной геометрией поперечного сечения: круглые, квадратные и прямоугольные.Currently, scintillating fibers are made from various materials (N.V. Klassen, V.N. Kurlov, S.N. Rossolenko, O.A. Krivko, A.D. Orlov, S.Z. Shmurak. Scintillation fibers and nanoscintillators to improve the spatial, spectrometric and temporal resolution of radiation detectors. Izvestiya RAS. Physical Series, 2009, Volume 73, No. 10, pp. 1451-1456; RF Patent No. 2411543, IPC: G01T 1/20, 2008) and with various cross-sectional geometry: round, square and rectangular.

Для улучшения светосбора от сцинтилляционных вспышек, возникающих в сцинтиллирующих волокнах под действием излучения, сцинтиллирующие волокна покрыты светоотражающим покрытием с меньшим, чем у волокна, коэффициентом преломления (одно- и двухслойные), либо применяют волокна с заданным радиальным градиентом состава и свойств. Для предотвращения перехода сцинтилляционных фотонов из одного волокна в соседние сцинтиллирующие волокна дополнительно покрыты светонепроницаемым покрытием.To improve the light collection from scintillation flashes that occur in scintillating fibers under the influence of radiation, scintillating fibers are coated with a reflective coating with a lower refractive index (single or double layer) than that of the fiber, or fibers with a given radial gradient in composition and properties are used. To prevent the scintillation photons from passing from one fiber to neighboring scintillating fibers, they are additionally coated with an opaque coating.

В качестве матричных фотоприемников 8 могут применяться наборы из фотодиодов, кремниевых фотоумножителей или позиционно чувствительные фотоумножители и фотодиодные линейки.As matrix photodetectors 8, sets of photodiodes, silicon photomultipliers, or position-sensitive photomultipliers and photodiode arrays can be used.

Фоточувствительные элементы матричных фотоприемников 8 заранее пронумерованы. Также пронумерованы сцинтиллирующие волокна и заранее определено, к каким фоточувствительным элементам фотоприемников приходят фотоны от того или иного сцинтиллирующего волокна.The photosensitive elements of the matrix photodetectors 8 are pre-numbered. Scintillating fibers are also numbered and it is predetermined to which photosensitive elements of the photodetectors photons from a particular scintillating fiber come.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На устройство падают регистрируемые излучения вдоль оси 1, перпендикулярной плоскости кольцевых слоев 2-4. Интенсивность этих излучений в общем случае имеет радиальное и азимутальное распределение.Registered radiation is incident on the device along the axis 1, perpendicular to the plane of the annular layers 2-4. The intensity of these radiations in the general case has a radial and azimuthal distribution.

Излучение определенного вида: быстрые или тепловые нейтроны, или гамма-излучение, падающее на сцинтиллирующие волокна 5-7, преимущественно поглощается в сцинтиллирующих волокнах, предназначенных для регистрации данного вида излучения, вызывая при этом сцинтилляционную вспышку. Фотоны от сцинтилляционной вспышки, возникшие в одном из сцинтиллирующих волокон, с помощью светоотражающей оболочки транспортируются к торцам этого волокна. При этом фотоны от сцинтилляционной вспышки, выходящие из сцинтиллирующего волокна в соседние волокна, поглощаются светопоглощающим покрытием.Radiation of a certain type: fast or thermal neutrons, or gamma radiation incident on scintillating fibers 5-7, is mainly absorbed in scintillating fibers designed to detect this type of radiation, causing a scintillation burst. Photons from a scintillation flash that have arisen in one of the scintillating fibers are transported by means of a reflective shell to the ends of this fiber. In this case, photons from a scintillation flash emerging from a scintillating fiber into neighboring fibers are absorbed by a light-absorbing coating.

Фотоны, дошедшие до торцов сцинтиллирующего волокна, попадают на фоточувствительные элементы двух матричных фотоприемников 8, где регистрируются, вызывая появление в каждом из них электрического сигнала. По соотношению амплитуд сигналов, полученных с противоположных торцов, определяется расстояние от одного из торцов сцинтиллирующего волокна до места взаимодействия излучения.Photons reaching the ends of the scintillating fiber fall on the photosensitive elements of two matrix photodetectors 8, where they are recorded, causing the appearance of an electric signal in each of them. The ratio of the amplitudes of the signals received from opposite ends determines the distance from one of the ends of the scintillating fiber to the point of interaction of radiation.

Порядковый номер кольцевого слоя, порядковый номер сцинтиллирующего волокна в кольцевом слое, а также расстояние от места взаимодействия излучения до одного из торцов сцинтиллирующего волокна определяют полностью координату взаимодействия в плоскости устройства и вид зарегистрированного излучения.The serial number of the annular layer, the serial number of the scintillating fiber in the annular layer, as well as the distance from the point of interaction of radiation to one of the ends of the scintillating fiber, determine completely the coordinate of interaction in the plane of the device and the type of detected radiation.

Claims

A scintillation detector containing an assembly of scintillating fibers for detecting gamma radiation, thermal and fast neutrons in the form of a ring, as well as two photodetectors located on opposite ends of the assembly of scintillating fibers in optical contact with them, characterized in that the assembly of scintillating fibers is made in the form of one or several lying on each other annular layers with a common axis, the scintillating fibers are provided with reflective shells and opaque coatings, located on a circumferential Scintillating fibers for detecting different types of radiation are located in different annular layers, the opposite ends of the scintillating fibers are optically connected to two matrix photodetectors, the number of photosensitive elements in each of which is equal to or greater than the number of scintillating fibers.