RU2663307C1 - Position-sensitive radiation detector - Google Patents

Position-sensitive radiation detector Download PDF

Info

Publication number
RU2663307C1
RU2663307C1 RU2017125231A RU2017125231A RU2663307C1 RU 2663307 C1 RU2663307 C1 RU 2663307C1 RU 2017125231 A RU2017125231 A RU 2017125231A RU 2017125231 A RU2017125231 A RU 2017125231A RU 2663307 C1 RU2663307 C1 RU 2663307C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillator
layers
length
photodetectors
scintillation
Prior art date
Application number
RU2017125231A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Иванович Микеров
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority to RU2017125231A priority Critical patent/RU2663307C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2663307C1 publication Critical patent/RU2663307C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/20Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/208Circuits specially adapted for scintillation detectors, e.g. for the photo-multiplier section

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the detection of ionizing radiation and can be used to create position-sensitive detectors. Essence of the invention consists in that the position-sensitive radiation detector comprises a scintillator, with that scintillator is made in the form of cylindrical coaxial layers separated by cylindrical coaxial interlayers of the same diameter from the substance with a light attenuation length of the scintillation flashes is much larger than the total thickness of the scintillator layers and the length of the detector, the scintillator layers are in optical contact with the photodetectors and with the interlayers, a reflective coating is applied to the cylindrical surface of the layers of the scintillator and the interlayers, the transverse dimension and thickness of any scintillator layer are approximately equal to or exceed the length of attenuation of the detected radiation in the scintillator, the number of layers of the scintillator is chosen from the condition that the total thickness of all layers of the scintillator Lis defined by the expression: L<2∙λ∙ln(σ∙N/λ), where σ– given value of the spatial resolution in the scintillator layers along the axis of the position-sensitive radiation detector, λ – effective length of light attenuation of the scintillation flare in the scintillator material taking into account the quality of the surface of the scintillator, N is the number of photoelectrons produced in any of the photodetectors at λ→∞.EFFECT: increase in the spatial resolution of the radiation detector at a length of the detector comparable to the light attenuation length of the scintillation flash in the scintillator.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании позиционно чувствительных детекторов, применяемых, например, в геофизической аппаратуре нейтронного и гамма каротажа, в досмотровой аппаратуре или аппаратуре для обнаружения источников излучений, а также в медицине.The invention relates to the field of registration of ionizing radiation and can be used to create position-sensitive detectors used, for example, in geophysical equipment for neutron and gamma-ray logging, in inspection equipment or equipment for detecting radiation sources, as well as in medicine.

В случае каротажа скважинный прибор обычно содержит от одного до трех детекторов. Максимальное расстояние от детектора до источника излучений составляет не более 90 см. Выбор типа детекторов и их числа зависит от многих факторов: вида используемого излучения, исследуемых характеристик, ядерно-физических свойств окружающей среды (обсадной колонны, скважины, геологической породы), заданной глубинности, диаметра скважины, расстояния от зонда до стенки скважины и является сложной научно-технической задачей, предметом компромисса и далеко не всегда оптимальным с точки зрения обеспечения максимальной чувствительности скважинного прибора в конкретных условиях измерений.In the case of logging, a downhole tool typically contains from one to three detectors. The maximum distance from the detector to the radiation source is not more than 90 cm. The choice of the type of detectors and their number depends on many factors: the type of radiation used, the characteristics studied, the nuclear physical properties of the environment (casing, borehole, geological rock), a given depth, the diameter of the well, the distance from the probe to the wall of the well is a complex scientific and technical task, the subject of a compromise and far from always optimal in terms of ensuring maximum sensitivity of wells live instrument in specific measurement conditions.

В этом случае проблема числа используемых детекторов и выбора оптимального расстояния до источника может быть решена путем создания протяженного детектора, обладающего осевым пространственным (координатным) разрешением. Применение такого детектора позволяет заменить несколько детекторов одним устройством, уменьшает длину скважинного устройства, упрощает его конструкцию.In this case, the problem of the number of detectors used and the choice of the optimal distance to the source can be solved by creating an extended detector with axial spatial (coordinate) resolution. The use of such a detector allows you to replace multiple detectors with one device, reduces the length of the downhole device, simplifies its design.

Помимо этого, измерение пространственных распределений в общем случае нескольких регистрируемых излучений позволяет повысить точность проводимых измерений, обеспечивает, в частности, более точное определение границ различных геологических формаций, позволяет выбирать длины зондов, исходя из скорости каротажа и ядерно-физических характеристик породы.In addition, the measurement of spatial distributions in the general case of several detected radiations can improve the accuracy of measurements, provides, in particular, a more accurate determination of the boundaries of various geological formations, allows you to choose probe lengths based on the logging speed and nuclear-physical characteristics of the rock.

При использовании для регистрации излучения сцинтилляционного детектора проблема создания протяженного детектора в основном связана с высокой стоимостью больших (объемом более 100 см3) сцинтиллирующих кристаллов, часто невозможностью их создания из-за возникновения в них внутренних напряжений, приводящих к разрушению кристалла, меньшей однородностью сцинтилляционных свойств, поглощением света в сцинтилляторе. Большим технологическим достижением, например, считается создание кристаллов LaBr3(Ce) диаметром 51 мм и длиной 76 мм (объемом ≈ 155 см3) [Peter R. Menge, G. Gauter, A. Iltis, C. Rozsa, V. Solovyev. Performance of large lanthanum bromide scintillators, NIM A 579 (2007) 6-10].When using radiation from a scintillation detector, the problem of creating an extended detector is mainly associated with the high cost of large (more than 100 cm 3 volume) scintillating crystals, often the inability to create them due to the occurrence of internal stresses in them, leading to destruction of the crystal, and less uniform scintillation properties absorption of light in a scintillator. For example, the creation of LaBr 3 (Ce) crystals with a diameter of 51 mm and a length of 76 mm (volume ≈ 155 cm 3 ) [Peter R. Menge, G. Gauter, A. Iltis, C. Rozsa, V. Solovyev. Performance of large lanthanum bromide scintillators, NIM A 579 (2007) 6-10].

Пространственное разрешение при использовании протяженного сцинтилляционного детектора может обеспечиваться двумя способами: путем сравнения числа фотонов и/или их времени прихода на фотоприемники, расположенные на противоположных торцах сцинтиллятора.Spatial resolution when using an extended scintillation detector can be achieved in two ways: by comparing the number of photons and / or their time of arrival at photodetectors located at opposite ends of the scintillator.

Скорость распространения оптических фотонов в сцинтилляторе равна скорости света, деленной на коэффициент преломления материала сцинтиллятора, и составляет десятки сантиметров за 1 нс. Поэтому измерение времени прихода требует фотоприемников и электроники с высоким временным разрешением. Значительно проще проводить измерение и сравнение числа фотонов, приходящих на фотоприемники.The propagation speed of optical photons in a scintillator is equal to the speed of light divided by the refractive index of the scintillator material and amounts to tens of centimeters in 1 ns. Therefore, measuring the arrival time requires photodetectors and electronics with high time resolution. It is much easier to measure and compare the number of photons arriving at the photodetectors.

Длина сцинтиллятора ограничена собственным поглощением света в сцинтилляторе, приводящим к существенному уменьшению числа фотонов, достигающих фотоприемник при сравнительно большом расстоянии между фотоприемником и местом возникновения сцинтилляции.The length of the scintillator is limited by the intrinsic absorption of light in the scintillator, leading to a significant decrease in the number of photons reaching the photodetector at a relatively large distance between the photodetector and the site of scintillation.

Самопоглощение света в сцинтилляторе обусловлено частичным перекрытием спектров испускания и спектров поглощения света в сцинтилляторе. В результате этого коротковолновая часть спектра испускания может вновь поглотиться в сцинтилляторе. При каждом поглощении фотона имеется вероятность нерадиационного (безызлучательного) перехода. Поэтому при многократном поглощении и испускании интенсивность коротковолнового излучения будет падать и тем больше, чем больший путь проходят фотоны в сцинтилляторе.Self-absorption of light in the scintillator is due to the partial overlap of the emission spectra and light absorption spectra in the scintillator. As a result, the short-wavelength part of the emission spectrum can again be absorbed in the scintillator. For each absorption of a photon, there is a probability of a non-radiation (non-radiative) transition. Therefore, with repeated absorption and emission, the intensity of the short-wave radiation will decrease, and the more, the greater the path the photons travel in the scintillator.

Вероятность поглощения тем больше, чем меньше Стоксов сдвиг спектров испускания и поглощения, который составляет 0,15 эВ для SrI2:Eu и Ba2CsI5:Eu и 2,07 эВ для CsI:Na. Малая величина Стоксова сдвига и связанное с этим большое самопоглощение является одной из причин редкого применения сцинтиллятора SrI2:Eu, несмотря на большой выход фотонов в сцинтилляционной вспышке.The absorption probability is greater the smaller the Stokes shift of the emission and absorption spectra, which is 0.15 eV for SrI 2 : Eu and Ba 2 CsI 5 : Eu and 2.07 eV for CsI: Na. The small Stokes shift and the associated large self-absorption is one of the reasons for the rare use of the SrI 2 : Eu scintillator, despite the large photon yield in the scintillation burst.

Спектр излучения сцинтиллятора и коэффицент самопоглощения зависит от материала сцинтиллятора и используемого активатора сцинтилляций. В качестве последнего используются, в частности, Тl и Na в сцинтилляторе NaI:Tl(Na) или Се в сцинтилляторах YAP:Ce и LYSO:Ce. Концентрация активатора обычно составляет несколько процентов и не превышает 10% из-за возрастания коэффициента самопоглощения.The scintillator emission spectrum and the self-absorption coefficient depend on the scintillator material and the scintillation activator used. As the latter, in particular, Tl and Na are used in the NaI: Tl (Na) scintillator or Ce in YAP: Ce and LYSO: Ce scintillators. The activator concentration is usually a few percent and does not exceed 10% due to an increase in the self-absorption coefficient.

Фактором, определяющим длину сцинтиллятора, является доля фотонов сцинтилляционной вспышки (коэффициент светосбора), достигающая фотоприемник. Коэффициент светосбора зависит от многих факторов:A factor determining the length of the scintillator is the fraction of photons of the scintillation flash (light collection coefficient) reaching the photodetector. The light collection coefficient depends on many factors:

- места возникновения вспышки,- the location of the outbreak,

- отношения длины кристалла к его поперечному сечению,- the ratio of the length of the crystal to its cross section,

- неоднородности состава и плотности сцинтиллятора,- heterogeneity of the composition and density of the scintillator,

- концентрации активатора (при наличии такового),- activator concentration (if any),

- температуры сцинтиллятора,- scintillator temperature,

- качества поверхности сцинтиллятора (коэффициента отражения фотонов),- surface quality of the scintillator (photon reflection coefficient),

- кристаллической структуры (в случае кристаллического сцинтиллятора),- crystalline structure (in the case of a crystalline scintillator),

- наличия и типа отражающего покрытия [Е.Н. Окрушко, В.Ю. Педаш, А.С.Раевский. Применение разных типов отражателей в длинномерных детекторах для улучшения позиционной чувствительности. Uzhhorod University Scientific Herald. Series Physics. Issue 29. 2011],- the presence and type of reflective coating [E.N. Okrushko, V.Yu. Pedash, A.S. Raevsky. The use of different types of reflectors in long detectors to improve position sensitivity. Uzhhorod University Scientific Herald. Series Physics. Issue 29. 2011],

- качества оптического контакта между сцинтиллятором и фотоприемником,- the quality of the optical contact between the scintillator and the photodetector,

- степени деградации поверхностного рельефа [А.В. Шкоропатенко, A.M. Кудин, Л.А. Андрюшенко и др. Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью. ФIП ФИП PSE, 2015, т. 13, №2, vol. 13, No. 2; www.pse.scpt.org.ua].- the degree of degradation of the surface topography [A.V. Shkoropatenko, A.M. Kudin, L.A. Andryushenko et al. Reasons for the instability of the spectrometric characteristics of CsI: Tl crystals with a matted surface. FIP FIP PSE, 2015, vol. 13, No. 2, vol. 13, No. 2; www.pse.scpt.org.ua].

Коэффициент светосбора может изменяться в широких пределах:Light collection coefficient can vary within wide limits:

- в сцинтилляторе GSO размером 20×20×150 мм на длине 150 мм он составляет примерно 83% [V. Kalinnikov, Е. Velicheva. Research of long GSO and LYSO crystals used in the calorimeter developed for the COMET experiment. Fundamental Materials, 22, No. 1 (2015) 126-134];- in a GSO scintillator measuring 20 × 20 × 150 mm over a length of 150 mm, it is approximately 83% [V. Kalinnikov, E. Velicheva. Research of long GSO and LYSO crystals used in the calorimeter developed for the COMET experiment. Fundamental Materials, 22, No. 1 (2015) 126-134];

- в сцинтилляторе LSO размером 5×5×20 мм на длине 20 мм - менее 50% [Emilie Roncali and Simon R. Cherry. Simulation of light transport in scintillators based on 3D characterization of crystal surfaces. Phys Med Biol. 2013 April 7; 58(7): 2185-2198].- in the LSO scintillator measuring 5 × 5 × 20 mm at a length of 20 mm — less than 50% [Emilie Roncali and Simon R. Cherry. Simulation of light transport in scintillators based on 3D characterization of crystal surfaces. Phys Med Biol. 2013 April 7; 58 (7): 2185-2198].

Длина ослабления для фотонов сцинтилляционной вспышки в кристалле LuAP:Ce составляет примерно 1,1 см [М. Balcerzyk et al. Perspectives for high resolution and high light output LuAP:Ce crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science Vol.: 52, Iss.:5, 2005].The attenuation length for scintillation burst photons in a LuAP: Ce crystal is approximately 1.1 cm [M. Balcerzyk et al. Perspectives for high resolution and high light output LuAP: Ce crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science Vol .: 52, Iss.//, 2005].

Пластмассовые сцинтилляторы BC-422 и BC-422Q имеют длину ослабления около 8 см.The BC-422 and BC-422Q plastic scintillators have an attenuation length of about 8 cm.

Объемная (не связанная с качеством внешней поверхности сцинтиллятора) длина ослабления света в кристалле YAP:Се не превышает 25 см [I. Vilardy et al. Optimization of the effective light attenuation of YAP:Ce and LYSO:Ce crystals for the novel geometrical PET concept. MM A 564 (2206) 506-514].The volumetric (not related to the quality of the outer surface of the scintillator) length of light attenuation in the YAP: Ce crystal does not exceed 25 cm [I. Vilardy et al. Optimization of the effective light attenuation of YAP: Ce and LYSO: Ce crystals for the novel geometrical PET concept. MM A 564 (2206) 506-514].

Длина ослабления света определяет не только допустимую длину сцинтиллятора, но и возможное пространственное разрешение σ. В случае детектора с фотоприемниками на противоположных торцах сцинтиллятора σ определяется выражением (1) [I. Vilardy et al. Optimization of the effective light attenuation of YAP:Ce and LYSO:Ce crystals for the novel geometrical PET concept. NIMA 564 (2206) 506-514]:The light attenuation length determines not only the permissible scintillator length, but also the possible spatial resolution σ. In the case of a detector with photodetectors at opposite ends of the scintillator, σ is determined by the expression (1) [I. Vilardy et al. Optimization of the effective light attenuation of YAP: Ce and LYSO: Ce crystals for the novel geometrical PET concept. NIMA 564 (2206) 506-514]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где λ - эффективная длина ослабления света с учетом качества внешней поверхности сцинтиллятора, N - число фотоэлектронов, рождаемых в любом их фотоприемников при λ→∞ (при стремлении эффективной длины ослабления света с учетом качества внешней поверхности сцинтиллятора к бесконечности), L - длина сцинтиллятора, z - координата вдоль оси сцинтиллятора, отсчитываемая от одного из его торцов.where λ is the effective length of the attenuation of light taking into account the quality of the outer surface of the scintillator, N is the number of photoelectrons generated in any of their photodetectors as λ → ∞ (when the effective length of the attenuation of light taking into account the quality of the outer surface of the scintillator tends to infinity), L is the length of the scintillator, z is the coordinate along the scintillator axis, counted from one of its ends.

Из выражения (1) следует, что наихудшее пространственное разрешение имеет место при z≈L/2. При этом пространственное разрешение составляет:It follows from expression (1) that the worst spatial resolution occurs at z≈L / 2. The spatial resolution is:

Figure 00000002
Figure 00000002

Из выражения (2) следует, что пространственное разрешение существенно падает при L~λ.It follows from expression (2) that the spatial resolution substantially decreases at L ~ λ.

Толщина сцинтиллятора Lc, при которой пространственное разрешение в любой точке на оси сцинтиллятора не превышает заданное значение σ3, в соответствии с выражением (2) составляет:The thickness of the scintillator L c at which the spatial resolution at any point on the axis of the scintillator does not exceed a predetermined value of σ 3 , in accordance with expression (2) is:

Figure 00000003
Figure 00000003

Применение двух фотоприемников на противоположных торцах сцинтиллятора не только улучшает пространственное разрешение измерений, но и делает его слабо зависящим от места возникновения сцинтилляционной вспышки на всей длине сцинтиллятора.The use of two photodetectors at opposite ends of the scintillator not only improves the spatial resolution of the measurements, but also makes it weakly dependent on the site of the scintillation burst along the entire length of the scintillator.

Известен «Цилиндрический позиционно-чувствительный детектор», содержащий сцинтиллятор с осью, параллельной оси устройства, и фотоприемники, подключенные к амплитудным анализаторам и через них к контроллеру, сцинтиллятор состоит из одного или нескольких вложенных друг в друга наборов волоконных сцинтиллирующих элементов, каждый набор содержит сцинтиллирующие элементы для регистрации гамма квантов, тепловых и/или быстрых нейтронов, располагающиеся чередующимся образом параллельно оси устройства на одном расстоянии от нее, снабжены светоотражающими оболочками и светонепроницаемыми покрытиями, противоположные торцы каждого сцинтиллирующего элемента соединены с двумя фотоприемниками посредством волоконных световодов и оптических соединителей, общее число фотоприемников равно удвоенному числу сцинтиллирующих элементов. Патент RU 2574323, МПК G01V 5/10, 10.02.2016.The well-known "Cylindrical position-sensitive detector" containing a scintillator with an axis parallel to the axis of the device, and photodetectors connected to amplitude analyzers and through them to the controller, the scintillator consists of one or more sets of fiber scintillating elements inserted into each other, each set contains scintillating elements for detecting gamma quanta, thermal and / or fast neutrons, arranged alternately parallel to the axis of the device at the same distance from it, are provided with reflective shells and opaque coatings, the opposite ends of each scintillating element are connected to two photodetectors by means of optical fibers and optical connectors, the total number of photodetectors is equal to twice the number of scintillating elements. Patent RU 2574323, IPC G01V 5/10, 02/10/2016.

Недостатком аналога является сложность конструкции, обусловленная применением нескольких типов волоконных сцинтилляторов, большим количеством сцинтиллирующих волокон, и невозможность измерения спектра гамма излучения.The disadvantage of the analogue is the design complexity due to the use of several types of fiber scintillators, a large number of scintillating fibers, and the inability to measure the spectrum of gamma radiation.

Известен «Спектрометрический позиционно-чувствительный детектор», содержащий сцинтиллятор с осью, параллельной оси устройства, и фотоприемники, подключенные к амплитудным анализаторам и через них к контроллеру, служащему для определения осевого положения зарегистрированного излучения по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоприемниками, сцинтиллятор состоит из трех вложенных друг в друга наборов сцинтиллирующих элементов, сцинтиллирующие элементы внешнего и среднего наборов выполнены из материала для регистрации тепловых нейтронов, а сцинтиллирующие элементы центрального набора из материала для регистрации гамма излучения и снабжены спектросмещающими волокнами, проходящими на равном удалении от боковых стенок сцинтиллирующих элементов центрального набора, сцинтиллирующие элементы среднего набора находятся внутри материала, замедляющего нейтроны, в виде цилиндра, на поверхности которого расположен экран, поглощающий тепловые нейтроны, во внешнем и внутреннем наборах сцинтиллирующие элементы располагаются параллельно оси устройства на одном расстоянии от нее, сцинтиллирующие элементы и спектросмещающие волокна снабжены светоотражающими оболочками, на светоотражающие оболочки сцинтиллирующих элементов нанесено светонепроницаемое покрытие, противоположные торцы сцинтиллирующих элементов внешнего и среднего наборов, а также противоположные торцы спектросмещающих волокон соединены с фотоприемниками посредством волоконных световодов и оптических соединителей, общее число фотоприемников равно удвоенному числу сцинтиллирующих элементов и спектросмещающих волокон. Патент RU 2574322, МПК G01T 3/20, 10.02.2016.The well-known "Spectrometric position-sensitive detector" containing a scintillator with an axis parallel to the axis of the device, and photodetectors connected to amplitude analyzers and through them to the controller, which serves to determine the axial position of the detected radiation relative to the amplitudes of the optical signals recorded by photodetectors, the scintillator consists of three sets of scintillating elements embedded in each other, the scintillating elements of the outer and middle sets are made of material for thermal neutron scattering, and the scintillating elements of the central set of gamma-ray radiation recording material are equipped with spectroscopic fibers passing at an equal distance from the side walls of the scintillating elements of the central set, the scintillating elements of the middle set are inside the neutron-slowing material, in the form of a cylinder, on the surface of which a screen that absorbs thermal neutrons is located, in the outer and inner sets the scintillating elements are parallel to the axis of the device at the same distance from it, scintillating elements and spectroscopic fibers are provided with reflective shells, reflective coatings are applied to the reflecting shells of scintillating elements, the opposite ends of the scintillating elements of the outer and middle sets, as well as the opposite ends of the spectroscopic fibers are connected to the photodetectors by means of optical fibers and optical connectors, the total number of photodetectors is equal to twice the number of scintillating elements and spectroscopic fibers. Patent RU 2574322, IPC G01T 3/20, 02/10/2016.

Недостатком аналога является сложность конструкции, обусловленная применением двух типов волоконных сцинтилляторов, большим количеством сцинтиллирующих и спектросмещающих волокон.A disadvantage of the analogue is the design complexity due to the use of two types of fiber scintillators, a large number of scintillating and spectroscopic fibers.

Известен «Метод и аппаратура для нейтронного каротажа, использующая позиционно чувствительный нейтронный детектор», который содержит сцинтиллятор с осью, параллельной оси корпуса прибора, и фотоумножители на противоположных концах сцинтиллятора, каждый фотоумножитель подключен к соответствующему амплитудному анализатору и через него к контроллеру, служащему для определения осевого положения зарегистрированного нейтрона по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоумножителями. Патент СА 2798070, МПК G01V 5/10. 10.11.2011. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.The well-known “Method and apparatus for neutron logging using a positionally sensitive neutron detector”, which contains a scintillator with an axis parallel to the axis of the instrument’s body, and photomultipliers at opposite ends of the scintillator, each photomultiplier connected to a corresponding amplitude analyzer and through it to the controller, used to determine the axial position of the detected neutron in relation to the amplitudes of the optical signals recorded by the photomultipliers. Patent CA 2798070, IPC G01V 5/10. 11/10/2011. This technical solution was made as a prototype.

Недостатком прототипа является низкое пространственное разрешение детектора излучения при длине детектора, сравнимой с длиной ослабления света сцинтилляционной вспышки в сцинтилляторе.The disadvantage of the prototype is the low spatial resolution of the radiation detector with a detector length comparable to the attenuation length of a scintillation flash in a scintillator.

Устройство устраняет недостатки аналогов и прототипа.The device eliminates the disadvantages of analogues and prototype.

Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения детектора излучения при длине детектора, сравнимой с длиной ослабления света сцинтилляционной вспышки в сцинтилляторе.The technical result of the invention is to increase the spatial resolution of the radiation detector with a detector length comparable to the attenuation length of the scintillation flash in the scintillator.

Технический результат достигается тем, что в позиционно чувствительном детекторе излучений, содержащем сцинтиллятор с осью, совпадающей с осью устройства, и фотоприемники на противоположных концах сцинтиллятора, каждый фотоприемник подключен к соответствующему амплитудному анализатору и через него к контроллеру, служащему для определения осевой координаты регистрируемой частицы по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоприемниками, согласно изобретению сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрических соосных слоев, разделенных цилиндрическими соосными прослойками того же диаметра из вещества с длиной ослабления света сцинтилляционных вспышек значительно больше общей толщины слоев сцинтиллятора и длины детектора, слои сцинтиллятора находятся в оптическом контакте с фотоприемниками и с прослойками, на цилиндрическую поверхность слоев сцинтиллятора и прослоек нанесено светоотражающее покрытие, поперечный размер и толщина любого слоя сцинтиллятора примерно равны или превышают длину ослабления регистрируемого излучения в сцинтилляторе, число слоев сцинтиллятора выбирается из условия, что суммарная толщина всех слоев сцинтиллятора Lc определяется выражением:The technical result is achieved by the fact that in a positionally sensitive radiation detector containing a scintillator with an axis coinciding with the axis of the device and photodetectors at opposite ends of the scintillator, each photodetector is connected to a corresponding amplitude analyzer and through it to a controller that serves to determine the axial coordinate of the detected particle from the ratio of the amplitudes of the optical signals recorded by the photodetectors, according to the invention, the scintillator is made in the form of cylindrical coaxial layers separated by coaxial coaxial interlayers of the same diameter from a substance with a light attenuation length of scintillation flashes are much larger than the total thickness of the scintillator layers and the length of the detector, the scintillator layers are in optical contact with photodetectors and interlayers, a reflective coating is applied to the cylindrical surface of the scintillator layers and interlayers, the transverse size and thickness of any scintillator layer is approximately equal to or greater than the attenuation length of the detected radiation in the scintillator, h the scintillator layer number is selected from the condition that the total thickness of all scintillator layers L c is determined by the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где σ3 - заданная величина пространственного разрешения в слоях сцинтиллятора вдоль оси позиционно чувствительного детектора излучения, λ - эффективная длина ослабления света сцинтилляционной вспышки в веществе сцинтиллятора с учетом качества поверхности сцинтиллятора, N - число фотоэлектронов, рождаемых в любом из фотоприемников при λ→∞.where σ 3 is the specified spatial resolution in the scintillator layers along the axis of the position-sensitive radiation detector, λ is the effective length of the attenuation of light of the scintillation flash in the scintillator material, taking into account the quality of the scintillator surface, N is the number of photoelectrons generated in any of the photodetectors as λ → ∞.

На чертеже схематично показано устройство цилиндрического позиционно чувствительного детектора излучений, где:The drawing schematically shows the arrangement of a cylindrical positionally sensitive radiation detector, where:

1 - слои сцинтиллятора;1 - scintillator layers;

2 - прослойки из вещества с длиной ослабления света сцинтилляционных вспышек значительно больше общей толщины слоев 1 и длины детектора;2 - interlayers of a substance with a light attenuation length of scintillation flares are much larger than the total thickness of layers 1 and the length of the detector;

3 - светоотражающее покрытие;3 - reflective coating;

4 - фотоприемники;4 - photodetectors;

5 - сцинтилляционная вспышка;5 - scintillation flash;

11 и 12 - расстояния от места возникновения сцинтилляционной вспышки 5 до одного и другого фотоприемников 4.1 1 and 1 2 - the distance from the place of occurrence of the scintillation flash 5 to one and the other photodetectors 4.

Амплитудные анализаторы, подключаемые к фотоприемникам и контроллеру, а также контроллер на чертеже не показаны.Amplitude analyzers connected to photodetectors and the controller, as well as the controller are not shown in the drawing.

Устройство позиционно чувствительного детектора излучений содержит цилиндрические и соосные слои сцинтиллятора 1, разделенные прослойками 2 вещества с длиной ослабления света сцинтилляционных вспышек 5 значительно больше общей толщины слоев 1 и длины детектора l1+l2.The device positionally sensitive radiation detector contains cylindrical and coaxial layers of the scintillator 1, separated by layers of 2 substances with a length of attenuation of light of scintillation flashes 5 is significantly greater than the total thickness of the layers 1 and the length of the detector l 1 + l 2 .

Слои 1 находятся в оптическом контакте с фотоприемниками 4 и с прослойками 2. Для улучшения светосбора и увеличения доли света, доходящего до фотоприемников 4, на внешнюю (цилиндрическую) поверхность слоев 1 и прослоек 2 нанесено светоотражающее покрытие 3, например слои MgO или TiO2 толщиной, обычно не превышающей 1 мм.The layers 1 are in optical contact with the photodetectors 4 and with the interlayers 2. To improve the light collection and increase the fraction of light reaching the photodetectors 4, a reflective coating 3 is applied to the outer (cylindrical) surface of the layers 1 and the interlayers 2, for example, layers of MgO or TiO 2 with a thickness usually not exceeding 1 mm.

Расстояния 11 и 12 от места возникновения сцинтилляционной вспышки 5 до одного и другого фотоприемников 4 изменяются в пределах от ≈0 см до общей толщины слоев 1 и 2.The distances 1 1 and 1 2 from the place of occurrence of the scintillation burst 5 to one and the other photodetectors 4 vary from ≈0 cm to the total thickness of layers 1 and 2.

Материал, используемый в слоях 1 сцинтиллятора, зависит от вида регистрируемого излучения и от его энергии. Для регистрации нескольких видов излучений могут применяться несколько сцинтилляторов. Дополнительные сцинтилляторы могут использоваться вместо прослоек 2 в случае, когда длина ослабления света сцинтилляционных вспышек 5 в них существенно превышает общую толщину слоев 1 и длину детектора 11+12.The material used in the scintillator layers 1 depends on the type of radiation detected and on its energy. Several scintillators can be used to register several types of radiation. Additional scintillators can be used instead of interlayers 2 when the length of light attenuation of scintillation flashes 5 in them substantially exceeds the total thickness of layers 1 and the length of detector 1 1 +1 2 .

В качестве фотоприемников 4 могут использоваться, например, фотоумножители.As photodetectors 4 can be used, for example, photomultipliers.

Для обеспечения эффективной регистрации того или иного вида излучения поперечный размер и/или толщина любого слоя 1 сцинтиллятора должна быть не менее длины ослабления регистрируемого излучения в слое сцинтиллятора 1. Поскольку плотность потока регистрируемого излучения падает по мере удаления от источника излучения (на чертеже не показан), то для обеспечения примерно равной статистической погрешности сигнала, поступающего на фотоприемники 4 с каждого из слоев 1 сцинтиллятора, толщина слоя 1 сцинтиллятора должна увеличиваться по мере удаления от источника излучения обратно пропорционально величине плотности потока излучения на слой 1 сцинтиллятора.To ensure effective registration of a particular type of radiation, the transverse size and / or thickness of any layer 1 of the scintillator must be at least the attenuation length of the detected radiation in the layer of scintillator 1. Since the flux density of the detected radiation decreases with distance from the radiation source (not shown in the drawing) , then to ensure approximately equal statistical error of the signal arriving at photodetectors 4 from each of the scintillator layers 1, the thickness of the scintillator layer 1 should increase as Alenia from the radiation source is inversely proportional to the radiation flux density on the scintillator layer 1.

Поскольку плотность потока регистрируемого излучения падает по мере удаления от источника излучения, то для обеспечения примерно равной скорости счета сигнала, поступающего на фотоприемники 4 с каждого из слоев 1 сцинтиллятора, толщина слоя 1 сцинтиллятора должна увеличиваться по мере удаления от источника излучения обратно пропорционально величине плотности потока излучения на слой 1 сцинтиллятора.Since the flux density of the detected radiation decreases with distance from the radiation source, in order to ensure an approximately equal count rate of the signal arriving at the photodetectors 4 from each of the scintillator layers 1, the thickness of the scintillator layer 1 should increase in proportion to the distance from the radiation source radiation on layer 1 of the scintillator.

Число слоев 1 сцинтиллятора выбирается согласно выражению (3), исходя из заранее заданной погрешности определения координаты сцинтилляционной вспышки σ3 с учетом числа фотонов, излучаемых во время сцинтилляционной вспышки 5, длины ослабления света λ сцинтилляционной вспышки в сцинтилляторе, квантовой эффективности фотоприемников 4 и шумов последующей электроники.The number of layers 1 of the scintillator is selected according to expression (3), based on a predetermined error in determining the coordinate of the scintillation burst σ 3 taking into account the number of photons emitted during the scintillation burst 5, the length of attenuation of light λ of the scintillation burst in the scintillator, the quantum efficiency of the photodetectors 4 and the noise of the subsequent electronics.

Отношение количества фотонов от сцинтилляционной вспышки 5, приходящих на фотоприемники 4, будет примерно пропорционально отношению толщин слоев 1 сцинтиллятора, проходимых фотонами до попадания в фотоприемники 4.The ratio of the number of photons from the scintillation flash 5 arriving at the photodetectors 4 will be approximately proportional to the ratio of the thicknesses of the layers 1 of the scintillator passed by the photons before reaching the photodetectors 4.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Регистрируемое излучение попадает в один из слоев 1 сцинтиллятора и вызывает в нем сцинтилляционную вспышку 5. Фотоны сцинтилляционной вспышки 5 распространяются во все стороны, испытывая отражение от светоотражающего покрытия 3 и поглощение в слоях 1 сцинтиллятора, проходя прослойки 2 практически без ослабления. Некоторое ослабление света в прослойках 2 обусловлено потерями при отражении от светоотражающего покрытия 3, но оно невелико и им можно пренебречь по сравнению с ослаблением света в слоях 1. Оставшаяся часть фотонов доходит до фотоприемников 4, где приводит к образованию фотоэлектронов и электрических сигналов, пропорциональных количеству дошедших фотонов. Электрические сигналы поступают далее на входы двух амплитудных анализаторов (на чертеже не показаны). В амплитудных анализаторах сигналы оцифровываются и в цифровом виде поступают в контроллер (на чертеже не показан), в котором вычисляется значение отношения сигналов и по полученному значению отношения определяется осевая координата места возникновения zв (расстояния z1 и z2) сцинтилляционной вспышки 5 в соответствии с выражением [I. Vilardy et al. Optimization of the effective light attenuation of YAP:Ce and LYSO:Ce crystals for the novel geometrical PET concept. NIM A 564 (2206) 506-514]:The recorded radiation enters one of the layers 1 of the scintillator and causes a scintillation flash 5. The photons of the scintillation flash 5 propagate in all directions, being reflected from the reflective coating 3 and absorbed in the layers 1 of the scintillator, passing through the interlayers 2 with almost no attenuation. Some light attenuation in the interlayers 2 is caused by losses due to reflection from the reflective coating 3, but it is small and can be neglected in comparison with the attenuation of light in the layers 1. The remaining part of the photons reaches the photodetectors 4, which leads to the formation of photoelectrons and electrical signals proportional to the number reached photons. Electrical signals are then fed to the inputs of two amplitude analyzers (not shown in the drawing). In amplitude analyzers, the signals are digitized and digitally fed to the controller (not shown in the drawing), in which the signal ratio is calculated and the axial coordinate of the place of occurrence of z in (distance z 1 and z 2 ) of the scintillation flash 5 is determined from the obtained ratio value in accordance with the expression [I. Vilardy et al. Optimization of the effective light attenuation of YAP: Ce and LYSO: Ce crystals for the novel geometrical PET concept. NIM A 564 (2206) 506-514]:

Figure 00000005
Figure 00000005

Таким образом, заявленный технический результат: повышение пространственного разрешения детектора излучения при длине детектора, сравнимой с длиной ослабления света сцинтилляционной вспышки в сцинтилляторе, достигается за счет того, что сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрических соосных слоев 1, разделенных цилиндрическими соосными прослойками 2 того же диаметра из вещества с длиной ослабления света сцинтилляционных вспышек 5 значительно больше общей толщины слоев 1 и длины детектора 11+12, в качестве прослоек 2 могут использоваться сцинтилляторы для регистрации других видов излучений при условии, что длина ослабления света сцинтилляционных вспышек 5 в них существенно превышает общую толщину слоев 1 и длину детектора 11+12, слои 1 сцинтиллятора находятся в оптическом контакте с фотоприемниками 4 и с прослойками 2, на цилиндрическую поверхность слоев 1 сцинтиллятора и прослоек 2 нанесено светоотражающее покрытие 3, поперечный размер и толщина любого слоя 1 сцинтиллятора примерно равны или превышают длину ослабления регистрируемого излучения в слоях 1 сцинтиллятора, причем толщина слоев 1 сцинтиллятора может увеличиваться по мере удаления от источника излучения обратно пропорционально величине плотности потока излучения на слой 1 сцинтиллятора, обеспечивая примерно одинаковую статистику регистрируемого сигнала во всех слоях 1 сцинтиллятора, число слоев 1 сцинтиллятора выбирается из условия, что суммарная толщина всех слоев 1 сцинтиллятора не превышает длины Lc, определяемой в соответствии с выражением:Thus, the claimed technical result: an increase in the spatial resolution of the radiation detector with a detector length comparable to the attenuation length of the scintillation flash in the scintillator is achieved due to the fact that the scintillator is made in the form of cylindrical coaxial layers 1 separated by cylindrical coaxial layers 2 of the same diameter from substance with a long light attenuation scintillation flashes 5 significantly greater total thickness and length of layers 1 1 1 1 detector 2 as layers 2 may be used tsintillyatory for registering other kinds of radiation, provided that the length of the light attenuation scintillation flashes 5 in which substantially exceeds the total thickness of the layers 1 and a length detector 1 1 1 2 1 scintillator layers are in optical contact with the photo detectors 4 and with layers 2, on the cylindrical the surface of the scintillator layers 1 and the interlayers 2 is coated with a reflective coating 3, the transverse size and thickness of any scintillator layer 1 is approximately equal to or greater than the attenuation length of the detected radiation in the scintillator layers 1, when the thickness of the scintillator layers 1 can increase with distance from the radiation source inversely with the radiation flux density per scintillator layer 1, providing approximately the same statistics of the recorded signal in all layers of the scintillator, the number of layers of the scintillator 1 is selected from the condition that the total thickness of all layers 1 scintillator does not exceed the length L c determined in accordance with the expression:

Figure 00000006
Figure 00000006

где σ3 - заданная величина пространственного разрешения в слоях 1 сцинтиллятора вдоль оси позиционно чувствительного детектора излучения, λ - эффективная длина ослабления света сцинтилляционной вспышки 5 в веществе сцинтиллятора с учетом качества поверхности сцинтиллятора, N - число фотоэлектронов, рождаемых в любом из фотоприемников 4 при λ→∞.where σ 3 is the specified spatial resolution in the scintillator layers 1 along the axis of the positionally sensitive radiation detector, λ is the effective attenuation length of the scintillation flash 5 in the scintillator material, taking into account the quality of the scintillator surface, N is the number of photoelectrons generated in any of the photodetectors 4 at λ → ∞.

Claims (3)

Позиционно чувствительный детектор излучений, содержащий сцинтиллятор с осью, совпадающей с осью устройства, и фотоприемники на противоположных концах сцинтиллятора, каждый фотоприемник подключен к соответствующему амплитудному анализатору и через него к контроллеру, служащему для определения осевой координаты регистрируемой частицы по отношению амплитуд оптических сигналов, зарегистрированных фотоприемниками, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрических соосных слоев, разделенных цилиндрическими соосными прослойками того же диаметра из вещества с длиной ослабления света сцинтилляционных вспышек значительно больше общей толщины слоев сцинтиллятора и длины детектора, слои сцинтиллятора находятся в оптическом контакте с фотоприемниками и с прослойками, на цилиндрическую поверхность слоев сцинтиллятора и прослоек нанесено светоотражающее покрытие, поперечный размер и толщина любого слоя сцинтиллятора примерно равны или превышают длину ослабления регистрируемого излучения в сцинтилляторе, число слоев сцинтиллятора выбирается из условия, что суммарная толщина всех слоев сцинтиллятора Lc определяется выражением:A positionally sensitive radiation detector containing a scintillator with an axis coinciding with the axis of the device, and photodetectors at opposite ends of the scintillator, each photodetector is connected to a corresponding amplitude analyzer and through it to a controller, which serves to determine the axial coordinate of the detected particle from the amplitude of the optical signals recorded by the photodetectors characterized in that the scintillator is made in the form of cylindrical coaxial layers separated by cylindrical coaxial p interlayer of the same diameter from a substance with a light attenuation length of scintillation flares is much larger than the total thickness of the scintillator layers and the length of the detector, the scintillator layers are in optical contact with photodetectors and interlayers, a reflective coating is applied to the cylindrical surface of the scintillator layers and interlayers, the transverse size and thickness of any scintillator layers are approximately equal to or greater than the length of attenuation of the detected radiation in the scintillator; the number of scintillator layers is selected from the condition i, that the total thickness of all layers of the scintillator L c is determined by the expression:
Figure 00000007
Figure 00000007
где σ3 - заданная величина пространственного разрешения в слоях сцинтиллятора вдоль оси позиционно чувствительного детектора излучения, λ - эффективная длина ослабления света сцинтилляционной вспышки в веществе сцинтиллятора с учетом качества поверхности сцинтиллятора, N - число фотоэлектронов, рождаемых в любом из фотоприемников при λ→∞.where σ 3 is the specified spatial resolution in the scintillator layers along the axis of the position-sensitive radiation detector, λ is the effective length of the attenuation of light of the scintillation flash in the scintillator material, taking into account the quality of the scintillator surface, N is the number of photoelectrons generated in any of the photodetectors as λ → ∞.
RU2017125231A 2017-07-14 2017-07-14 Position-sensitive radiation detector RU2663307C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017125231A RU2663307C1 (en) 2017-07-14 2017-07-14 Position-sensitive radiation detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017125231A RU2663307C1 (en) 2017-07-14 2017-07-14 Position-sensitive radiation detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2663307C1 true RU2663307C1 (en) 2018-08-07

Family

ID=63142520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017125231A RU2663307C1 (en) 2017-07-14 2017-07-14 Position-sensitive radiation detector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2663307C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2119178C1 (en) * 1997-04-25 1998-09-20 Тарабрин Юрий Александрович Neutron detector
RU2282215C2 (en) * 2004-07-01 2006-08-20 Станислав Ильич Поташев Position-sensitive neutron detector
CA2798070A1 (en) * 2010-05-04 2011-11-10 Smith International, Inc. Method and apparatus for neutron logging using a position sensitive neutron detector
US20130001423A1 (en) * 2011-06-28 2013-01-03 Seshadri Jagannathan Radiation sensing thermoplastic composite panels

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2119178C1 (en) * 1997-04-25 1998-09-20 Тарабрин Юрий Александрович Neutron detector
RU2282215C2 (en) * 2004-07-01 2006-08-20 Станислав Ильич Поташев Position-sensitive neutron detector
CA2798070A1 (en) * 2010-05-04 2011-11-10 Smith International, Inc. Method and apparatus for neutron logging using a position sensitive neutron detector
US20130001423A1 (en) * 2011-06-28 2013-01-03 Seshadri Jagannathan Radiation sensing thermoplastic composite panels

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4883956A (en) Methods and apparatus for gamma-ray spectroscopy and like measurements
Moses et al. Prospects for time-of-flight PET using LSO scintillator
RU2505842C2 (en) Gain stabilisation for gamma-ray scintillation detector
US7763845B2 (en) Downhole navigation and detection system
US7202478B2 (en) Gamma-ray spectrometry
NO346014B1 (en) Apparatus and method for detecting radiation comprising neutrons and gamma rays
US9395464B2 (en) Scintillation detector package having radioactive reflective material therein
US8785841B1 (en) Scintillation detector package having radioactive window therein
US7139350B2 (en) Method and apparatus for measuring radiation in a borehole
US20220381942A1 (en) Methods and Means for Neutron Imaging Within a Borehole
US9715022B2 (en) Scintillation detector package having radioactive support apparatus
US9261624B2 (en) Thermal and epithermal neutrons from an earth formation
Sasano et al. Geometry dependence of the light collection efficiency of BGO crystal scintillators read out by avalanche photo diodes
CN108535758A (en) A kind of lamination scintillation detector of measurable β power spectrums and directional dose equivalent rate
RU2663307C1 (en) Position-sensitive radiation detector
US2830188A (en) Neutron detector
US20200301028A1 (en) Two single crystals based phoswich detector for discriminating various kinds of radiations
Meshkian et al. Applications of innovative SiPM-based PVT scintillator detectors
Feng et al. Evaluation of plastic scintillating fibers coating technique for muon imaging detector using a Compton-coincidence-technique system
Dudnik et al. A detector on the basis of an activated p-terphenyl single crystal and a silicon photomultiplier
Aogaki et al. Measurement of 0.511 MeV γ-rays with a thin long strip of Gd2SiO5: Ce3+ scintillator
US20100301220A1 (en) Radiation detector
Qu et al. A new method for position-sensitive measurement of beta surface contamination
Langeveld et al. Lead tungstate and silicon photomultipliers for transmission Z-spectroscopy in cargo inspection systems
Pourtangestani Optimization of plastic scintillator thicknesses for online beta detection in mixed fields