RU2748153C1 - Scintillation detector - Google Patents

Scintillation detector Download PDF

Info

Publication number
RU2748153C1
RU2748153C1 RU2020125024A RU2020125024A RU2748153C1 RU 2748153 C1 RU2748153 C1 RU 2748153C1 RU 2020125024 A RU2020125024 A RU 2020125024A RU 2020125024 A RU2020125024 A RU 2020125024A RU 2748153 C1 RU2748153 C1 RU 2748153C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillation
cells
unit
reflective
detector
Prior art date
Application number
RU2020125024A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Владимирович Афанасьев
Андрей Юрьевич Бояринцев
Александр Олегович Голунов
Игорь Анатольевич Голутвин
Николай Васильевич Горбунов
Борис Викторович Гринев
Юрий Владимирович Ершов
Александр Иванович Малахов
Виталий Анатольевич Смирнов
Евгений Викторович Сухов
Валентин Валерьевич Устинов
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
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 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Priority to RU2020125024A priority Critical patent/RU2748153C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2748153C1 publication Critical patent/RU2748153C1/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
    • G01T1/2006Measuring radiation intensity with scintillation detectors using a combination of a scintillator and photodetector which measures the means radiation intensity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: ionizing radiation detecting.
SUBSTANCE: invention relates to the field of technology for detecting ionizing radiation. In the detector, an array of single scintillation cells with wells for collecting light is made in the form of a monolithic unit. The scintillator is divided into cells of any geometric shape by a structure obtained by locally removing the main sheet material to its entire depth along the perimeter of the cell boundaries. The vacant space is filled with a material with a reflective property. The reflective screens of the scintillation unit are made in the form of two separate sheets adjacent to the flat surfaces of the unit on both sides. The scintillation unit, a printed circuit board with an array of silicon photodetectors, reflective screens and the detector module cover have reference holes for precise alignment of the detector components with fasteners during assembly.
EFFECT: simplification of the design, an improvement in the manufacturability of scintillation cells of any geometric shape, and an increase in the accuracy of spatial measurements for large detection areas.
1 cl, 7 dwg

Description

Уровень техникиState of the art

Изобретение относится к области техники детектирования ионизирующего излучения при помощи сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей (детекторов) и может быть применено в различных ее отраслях:The invention relates to the field of technology for detecting ionizing radiation using scintillation segmented detector modules (detectors) and can be applied in its various industries:

- в медицинской технике, в частности, в позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ); масс-спектроскопии и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) которые основаны на обнаружении энергичных заряженных частиц или фотонов.- in medical technology, in particular, in positron emission tomography (PET), single-photon emission computed tomography (SPECT); mass spectroscopy and high performance liquid chromatography (HPLC) which are based on the detection of energetic charged particles or photons.

- в системах интроскопии для дистанционного досмотра;- in introscopy systems for remote inspection;

- в физике высоких энергий, например, в сцинтилляционных детекторах для экспериментов на ускорителях на встречных пучках и на линейных ускорителях.- in high-energy physics, for example, in scintillation detectors for experiments at accelerators with colliding beams and linear accelerators.

В настоящее время большое распространение получили сцинтилляционные детекторы на основе отдельных сцинтилляционных ячеек, собранных в модули. Сцинтилляционные ячейки отделяются друг от друга посредством непрозрачных материалов, окружающих наружные поверхности, что препятствует свету, производимому в каждой из них попадать в соседние ячейки. Такие детекторы позволяют повысить энергетическое, временное и пространственное разрешение, чувствительность детекторов. Сборка модулей осуществляется из отдельных сцинтилляционных ячеек, как правило, ячеек квадратной формы со стороной квадрата 20-30 мм и толщиной 3-5 мм, с нанесенным отражающим покрытием из специальной краски или обернутых светоотражающим материалом, последовательно поэлементно совмещенных с кремниевыми фотоприемниками.Currently, scintillation detectors based on individual scintillation cells assembled into modules are widely used. The scintillation cells are separated from each other by opaque materials that surround the outer surfaces, which prevents the light produced in each of them from entering adjacent cells. Such detectors make it possible to increase the energy, temporal and spatial resolution, and the sensitivity of the detectors. The modules are assembled from separate scintillation cells, as a rule, square cells with a square side of 20-30 mm and a thickness of 3-5 mm, with a reflective coating made of special paint or wrapped in a reflective material, which are successively element-wise aligned with silicon photodetectors.

Технические характеристики сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей существенно зависят от того, как точно сцинтилляционные ячейки с лунками и элементы сбора излученного света (фотоприемники) собраны в детекторе, а также от характеристик светоотражающих поверхностей, используемых для покрытия сцинтиллятора.The performance of segmented scintillation detector modules is highly dependent on how precisely the well scintillation cells and emitted light collection elements (photodetectors) are assembled in the detector, as well as on the characteristics of the reflective surfaces used to coat the scintillator.

Важной задачей также является обеспечение сбора света в единичных ячейках сцинтилляционных детекторов для увеличения чувствительности регистрирующей системы и улучшения параметров таких детекторов.An important task is also to ensure the collection of light in single cells of scintillation detectors to increase the sensitivity of the recording system and improve the parameters of such detectors.

Работы по оптимизации конструкции единичных ячейках сцинтилляционных детекторов ведутся давно.Work on optimizing the design of unit cells of scintillation detectors has been going on for a long time.

Так патент США US 8,085,398 [US 8,085,398 В2 Dec 27 2011, Dushkan et al, CONCAVE COMPENSATED CELL FOR THE COLLECTION OF RADIATED LIGHT] описывает сцинтилляционную ячейку с вогнутой лункой для сбора излучаемого света, которая располагается на одной из плоских ее сторон и показывает, как можно организовать сбор света непосредственно из лунки с помощью фотоприемника.So US patent US 8,085,398 [US 8,085,398 B2 Dec 27 2011, Dushkan et al, CONCAVE COMPENSATED CELL FOR THE COLLECTION OF RADIATED LIGHT] describes a scintillation cell with a concave well for collecting emitted light, which is located on one of its flat sides and shows how you can organize the collection of light directly from the well using a photodetector.

Ячейка для сбора излучаемого света, представляющая собой тело, изготовленное из сцинтиллятора методом литья или экструзии и имеющее на одной своей плоской стороне лунку с вогнутой поверхностью. Лунка работает как линза для сбора сцинтиллированного в ячейке света. Плоские поверхности сцинтилляционной ячейки покрыты отражающим материалом. В качестве светоотражающего материала используют светоотражающие пленки, покрытия, фольги и краски. Фотоприемник своей активной светочувствительной стороной обращен к вогнутой отражающей поверхности лунки без промежуточной среды (только воздух). Ячейка может иметь форму квадрата или шестиугольника. Патент хорошо описывает конструкцию единичной ячейки. Описаны отдельные способы и приемы изготовления сцинтилляционных ячеек, которые могут быть квадратной или шестигранной формы. Есть указание, что несколько ячеек в детекторе могут быть расположены вместе.Cell for collecting emitted light, which is a body made of a scintillator by casting or extrusion and having a concave well on one of its flat side. The well works as a lens for collecting light scintillated in the cell. The flat surfaces of the scintillation cell are covered with a reflective material. Reflective films, coatings, foils and paints are used as reflective material. The photodetector with its active photosensitive side faces the concave reflective surface of the hole without an intermediate medium (only air). The cell can be in the form of a square or a hexagon. The patent describes well the design of the unit cell. Separate methods and techniques for manufacturing scintillation cells, which can be square or hexagonal, are described. There is an indication that several cells in a detector can be positioned together.

Патент не показывает, какой может быть конструкция детектора, выполненного на основе отдельных сцинтилляционных ячеек. Создание технологичной конструкции сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей - это отдельная инженерная задача, которую требовалось решить для применения сцинтилляционных сегментированных ячеек в различных отраслях техники детектирования.The patent does not show what the design of a detector based on separate scintillation cells can be. Creation of a technological design of segmented scintillation detector modules is a separate engineering problem that had to be solved for the application of segmented scintillation cells in various branches of detection technology.

Количество регистрируемого света, испущенного сцинтиллятором, зависит от точности и стабильности положения фотоприемника относительно лунки, а также от выбора материалов светоотражающего покрытия и конструкции отражателя, что в конечном виде определяет временное, энергетическое и пространственное разрешение детектора.The amount of registered light emitted by the scintillator depends on the accuracy and stability of the position of the photodetector relative to the well, as well as on the choice of materials for the reflective coating and the design of the reflector, which ultimately determines the temporal, energy and spatial resolution of the detector.

Известен созданный международной коллаборацией CALICE сцинтилляционный детекторный блок AHCAL [Felix Sefkow and Frank Simon On behalf of the CALICE Collaboration «A highly granular SiPM-on-tile calorimeter prototype» 18th International Conference on Calorimetry in Particle Physics (CALOR2018) IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1162 (2019) 012012]. Детекторный блок AHCAL состоит из печатной платы с массивом кремниевых фотоприемников, комплектом отдельных единичных сцинтилляционных ячеек и электроникой считывания сигналов (Фиг. 1). Положение фотоприемников на плате определяется грануляцией детектора. Детекторный блок AHCAL комплектуется отдельными единичными сцинтилляционными ячейками квадратной формы 30×30 мм и толщиной 3 мм с лункой для сбора излучаемого света, изготовленными методом литья. Каждая единичная ячейка обернута светоотражающей пленкой с отверстием для выхода света. Для упаковки сцинтилляционных ячеек в светоотражающую пленку было разработано и изготовлено специализированное роботизированное упаковочное оборудование. Единичные сцинтилляционные ячейки, обернутые светоотражающей пленкой последовательно, с использование робототехники, приклеивались к печатной плате стороной, имеющей лунку (Фиг. 2).Known created by the international collaboration CALICE scintillation detector unit AHCAL [Felix Sefkow and Frank Simon On behalf of the CALICE Collaboration "A highly granular SiPM-on-tile calorimeter prototype" 18th International Conference on Calorimetry in Particle Physics (CALOR2018) IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1162 (2019) 012012]. The AHCAL detector unit consists of a printed circuit board with an array of silicon photodetectors, a set of individual single scintillation cells and signal reading electronics (Fig. 1). The position of the photodetectors on the board is determined by the granulation of the detector. The AHCAL detector unit is completed with separate single scintillation cells of a square shape 30 × 30 mm and a thickness of 3 mm with a well for collecting the emitted light, made by casting. Each unit cell is wrapped in a reflective foil with an opening for light to escape. Specialized robotic packaging equipment has been developed and manufactured for packing scintillation cells into reflective films. Single scintillation cells wrapped in reflective film were sequentially, using robotics, glued to the printed circuit board with the side having a dimple (Fig. 2).

При установке единичных ячеек в детектор важно было обеспечить максимально точное положение каждой сцинтилляционной ячейки относительно парного ей фотоприемника. Применение робототехники позволило решить поставленную задачу.When installing single cells in the detector, it was important to ensure the most accurate position of each scintillation cell relative to its paired photodetector. The use of robotics made it possible to solve the problem.

В детекторном блоке AHCAL использовалась ортогональная сегментация для массива ячеек и сцинтилляционные квадратные ячейки были одного размера, а это значило, что изготавливался только один комплект литейной оснастки, один комплект оснастки для упаковочной машины и один комплект оснастки для робота, выполняющего установку единичных ячеек на плату.The AHCAL detector unit used orthogonal segmentation for the array of cells and the scintillation square cells were the same size, which meant that only one set of foundry tooling, one set of tooling for a packaging machine and one set of tooling for a robot performing installation of single cells on a board were manufactured.

Конструкция детекторного блока AHCAL, взятая в качестве прототипа, неплохо приспособлена для массового производства в случае, когда требуется изготавливать большое количество одинаковых сцинтилляционных ячеек квадратной или шестигранной формы. Для этого требуется одна литейная форма, один типоразмер светоотражающей обертки, одна оснастка и одно устройство для упаковки.The design of the AHCAL detector unit, taken as a prototype, is well suited for mass production in the case when it is required to produce a large number of identical scintillation cells of a square or hexagonal shape. This requires one mold, one size of reflective wrapper, one tooling and one packaging device.

Существуют случаи, когда необходимы детекторы со сцинтилляционными ячейками произвольной формы. Например, часто для создания массива ячеек используется полярная система координат, где размеры ячеек задаются значениями радиусов и углов, - так называемая «R-ϕ» геометрия (Фиг. 3).There are cases when detectors with free-form scintillation cells are needed. For example, a polar coordinate system is often used to create an array of cells, where the cell sizes are specified by the values of radii and angles, the so-called "R-ϕ" geometry (Fig. 3).

Для создания массива ячеек имеющего «R-ϕ»геометрию, требуются изготовить ячейки разных размеров, а это значит, что возникает потребность в изготовление большого количества дорогостоящей специализированной оснастки для каждого типоразмера сцинтилляционной ячейки:To create an array of cells with an "R-ϕ" geometry, it is required to manufacture cells of different sizes, which means that there is a need to manufacture a large number of expensive specialized equipment for each standard size of the scintillation cell:

- формы для литья для каждого типоразмера сцинтилляционных ячеек;- molds for casting for each standard size of scintillation cells;

- оснастка или оборудование для изготовления индивидуальных оберток для каждого типоразмера сцинтилляционной ячейки;- tooling or equipment for the manufacture of individual wrappers for each standard size of the scintillation cell;

- оснастка для упаковки каждого типоразмера сцинтилляционных ячеек в светоотражающую фольгу для упаковочной машины;- equipment for packing each standard size of scintillation cells into reflective foil for a packaging machine;

- сложное оборудование для точного позиционирования завернутых в светоотражающую фольгу сцинтилляционных ячеек на печатной плате;- sophisticated equipment for precise positioning of scintillation cells wrapped in reflective foil on a printed circuit board;

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Технической задачей изобретения является - упрощение конструкции, улучшение технологичности, изготовление сцинтилляционных ячеек любой геометрической формы, повышение точности пространственных измерений для больших площадей детектирования.The technical objective of the invention is to simplify the design, improve manufacturability, manufacture scintillation cells of any geometric shape, increase the accuracy of spatial measurements for large areas of detection.

Технический результат достигается за счет того, что массив единичных сцинтилляционных ячеек выполнен в виде монолитного блока единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционного блока), изготовленного из цельного листа сцинтиллятора, который разделен на ячейки любой геометрической формы структурой, полученной путем локального изъятия основного материала листа на всю его глубину по периметру границ ячеек и заполнения освободившегося места материалом со светоотражающим свойством, при этом образующий ячейки материал листа сохраняет свое геометрическое положение в блоке. Светоотражающие экраны сцинтилляционного блока выполнены в виде двух отдельных листов, прилегающих к плоским поверхностям блока с двух сторон. Светоотражающий экран, который расположен между поверхностью сцинтилляционного блока с лунками и печатной платой с кремниевыми фотоприемниками, имеет отверстия для света, выходящего из лунок единичных ячеек в направлении парных им фотоприемников. Светоотражающий экран, прилегающий к плоской поверхности сцинтилляционного блока, не имеющей лунок, делается сплошным и прижимается к этой поверхности крышкой. Сцинтилляционный блок, печатная плата с массивом кремниевых фотоприемников, светоотражающие экраны и крышка детекторного модуля имеют, как минимум, по два реперных отверстия, для точного совмещения компонентов детектора крепежными элементами при сборке сцинтилляционного детекторного модуля.The technical result is achieved due to the fact that the array of single scintillation cells is made in the form of a monolithic block of single scintillation cells (scintillation block) made of a single scintillator sheet, which is divided into cells of any geometric shape by a structure obtained by local removal of the main material of the sheet for its entire the depth along the perimeter of the boundaries of the cells and filling the vacant space with a material with a reflective property, while the sheet material forming the cells retains its geometric position in the block. The reflective screens of the scintillation unit are made in the form of two separate sheets adjoining the flat surfaces of the unit on both sides. The reflective screen, which is located between the surface of the scintillation unit with holes and the printed circuit board with silicon photodetectors, has holes for light coming out of the holes of the unit cells in the direction of the paired photodetectors. The reflective screen, adjacent to the flat surface of the scintillation unit, which does not have holes, is made solid and is pressed against this surface by a cover. The scintillation unit, printed circuit board with an array of silicon photodetectors, reflective screens and the detector module cover have at least two reference holes for precise alignment of the detector components with fasteners when assembling the scintillation detector module.

Описание фигурDescription of figures

Фиг. 1. Сцинтилляционный детекторный блок AHCAL.FIG. 1. Scintillation detector unit AHCAL.

1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками;1 - Printed circuit board with silicon photodetectors;

2 - Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.2 - A separate single scintillation cell wrapped in an individual envelope made of reflective material.

Обернутые в отражающую фольгу отдельные единичные сцинтилляционные ячейки (2) последовательно устанавливаются на печатную плату с кремниевыми фотоприемниками (1) и фиксируются на ней с помощью клея.Individual single scintillation cells (2) wrapped in reflective foil are sequentially installed on a printed circuit board with silicon photodetectors (1) and fixed on it with glue.

Фиг. 2. Единичные сцинтилляционные ячейки детектора AHCAL с лунками для фокусировки излучаемого света и размещение фотоприемников.FIG. 2. Single scintillation cells of the AHCAL detector with holes for focusing the emitted light and placement of photodetectors.

1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.1 - Printed circuit board with silicon photodetectors.

2 Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.2 Individual single scintillation cell wrapped in an individual envelope made of reflective material.

3 Отдельная единичная сцинтилляционная ячейка с лункой, без обертки в конверт из светоотражающего материала.3 Separate, single scintillation cell with a well, unwrapped in an envelope made of reflective material.

Каждая сцинтилляционная ячейка имеет лунку для фокусировки излучаемого света и размещения парного ей фотоприемника. Положение лунки ячейки и фотоприемника хорошо видно на примере с установленной сцинтилляционной ячейки без обертки 2.Each scintillation cell has a hole for focusing the emitted light and placing a photodetector paired with it. The position of the well of the cell and the photodetector is clearly visible in the example with the installed scintillation cell without wrapper 2.

Фиг. 3. Массив сцинтилляционных ячеек с размерами, заданными в полярной системе координат.FIG. 3. An array of scintillation cells with dimensions specified in the polar coordinate system.

Размеры ячейки определяются радиусами R1, R2 и углом ϕ.The dimensions of the cell are determined by the radii R1, R2 and the angle ϕ.

Фиг.4. Сцинтилляционный детекторный модуль.Fig. 4. Scintillation detector module.

1- Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.1- Printed circuit board with silicon photodetectors.

4 - Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционного блок).4 - Monolithic unit of single scintillation cells (scintillation unit).

5 - Светоотражающий экран с массивом отверстий для света, выходящего из лунок единичных ячеек.5 - Reflective screen with an array of holes for light coming out of the wells of the unit cells.

6 - Светоотражающий экран сплошной.6 - Solid reflective screen.

7 - Крышка детекторного модуля.7 - Cover of the detector module.

8 - Сцинтилляционный детекторный модуль в сборе.8 - Scintillation detector module, assembled.

Фиг. 5. Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционный блок).FIG. 5. Monolithic unit of single scintillation cells (scintillation unit).

В блоке выполнены реперные отверстия (P1, Р2), соответствующие аналогичным отверстиями в печатной плате 1, крышке 7 и светоотражающих экранах 5 и 6.Reference holes (P1, P2) are made in the block, corresponding to similar holes in the printed circuit board 1, cover 7 and reflective screens 5 and 6.

Реперные отверстия используются для точного совмещения компонентов детектора при сборке сцинтилляционного детекторного модуля.Fiducial holes are used to accurately align the detector components when assembling the scintillation detector module.

Фиг. 6. Пример схемы позиционирования и крепления сцинтилляционного детекторного модуля в сборе 8.FIG. 6. An example of the positioning and fastening of the assembled scintillation detector module 8.

1 - Печатная плата с кремниевыми фотоприемниками.1 - Printed circuit board with silicon photodetectors.

4 - Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционный блок).4 - Monolithic unit of single scintillation cells (scintillation unit).

5 - Светоотражающий экран с массивом отверстий для выхода света, из лунок парным фотоприемникам.5 - Reflective screen with an array of holes for light out of the holes for paired photodetectors.

6 - Светоотражающий экран сплошной.6 - Solid reflective screen.

7 - Крышка детекторного модуля.7 - Cover of the detector module.

9 - Крепежные элементы модуля.9 - Fasteners of the module.

10 - Установочные монтажные элементы.10 - Installation mounting elements.

11 - Монтажная плоскость.11 - Mounting plane.

12 - Штифты для сборки и позиционирования модуля. Плоскость для монтажа детектора 11 имеет отверстия со штифтами 12, которые соответствуют реперным отверстиям (P1, Р2) на печатной плате 1, сцинтилляционном блоке 4, светоотражающих экранах 5 и 6, крышки детекторного модуля 7. Сцинтилляционный детекторный модуль предварительно собран с использованием технологических штифтов, аналогичных штифтам 12 и крепежных элементов 9. Крепление модуля к плоскости для монтажа 11 осуществляется с помощью крепежных элементов 10.12 - Pins for assembling and positioning the module. The plane for mounting the detector 11 has holes with pins 12, which correspond to the reference holes (P1, P2) on the printed circuit board 1, the scintillation unit 4, reflective screens 5 and 6, the cover of the detector module 7. The scintillation detector module is pre-assembled using technological pins, similar to pins 12 and fasteners 9. The module is fastened to the mounting plane 11 using fasteners 10.

Фиг. 7. Образцы для исследования:FIG. 7. Samples for research:

2 - Обернутая в индивидуальный конверт из светоотражающего материала отдельная единичная сцинтилляционная ячейка.2 - A separate single scintillation cell wrapped in an individual envelope made of reflective material.

13 Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек 3×3 (сцинтилляционный блок 3×3)13 Monolithic unit of single scintillation cells 3 × 3 (scintillation unit 3 × 3)

14 - Массив из девяти отдельных единичных сцинтилляционных ячеек, аналог прототипа детекторного блока AHCAL.14 - Array of nine separate single scintillation cells, analogous to the prototype detector unit AHCAL.

Монолитный блок единичных сцинтилляционных ячеек (фотография) 13, содержит девять единичных сцинтилляционных ячеек, размеры которых соответствуют ячейкам сцинтилляционного детекторного блока AHCAL (квадрат 30 мм×30 мм, толщина 3 мм). Светоотражающие экраны на фотографии отсутствуют.A monolithic block of single scintillation cells (photograph) 13, contains nine single scintillation cells, the dimensions of which correspond to the cells of the AHCAL scintillation detector unit (square 30 mm × 30 mm, thickness 3 mm). There are no reflective screens in the photo.

Массив отдельных сцинтилляционных ячеек (фотография) 14 собран из девяти отдельных единичных сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала, аналогичных по конструкции и размерам ячейкам сцинтилляционного детекторного блока AHCAL. Светоотражающий материал обертки ячеек - ESR фирмы 3 М.The array of individual scintillation cells (photograph) 14 is assembled from nine separate single scintillation cells wrapped in individual envelopes made of reflective material, similar in design and size to the cells of the AHCAL scintillation detector unit. Reflective material of the cell wrap - ESR of the company 3 M.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Для проведения исследования использовались идентичные по размерам и материалу образцы прототипа единичных сцинтилляционных ячеек сцинтилляционного детекторного блока AHCAL, обернутые в индивидуальные конверты из светоотражающего материала, и образцы монолитного блока сцинтилляционных ячеек с двумя светоотражающими экранами (по одному для каждой стороны сцинтилляционного блока) (Фиг. 7).For the study, samples of the prototype single scintillation cells of the AHCAL scintillation detector unit, wrapped in individual envelopes made of reflective material, and samples of a monolithic unit of scintillation cells with two reflective screens (one for each side of the scintillation unit) were used, identical in size and material (Fig. 7). ).

В процессе создания образцов монолитного блока сцинтилляционных ячеек локальное изъятие основного материала листа сцинтиллятора на всю его глубину по периметру границ ячеек производилось методом фрезерования на станке ЧПУ. Освободившееся в заготовке после фрезерования место было заполнено материалом со светоотражающим свойством (полимер модифицированным эпоксидным клеем со светоотражающей добавкой TiO2). Для изготовления использовался листовой материал сцинтиллятор ВС-408 фирмы Saint-Gobain Crystals.In the process of creating samples of a monolithic block of scintillation cells, the local removal of the main material of the scintillator sheet to its entire depth along the perimeter of the cell boundaries was carried out by milling on a CNC machine. The space vacated in the workpiece after milling was filled with a material with a reflective property (polymer modified epoxy glue with a reflective TiO2 additive). For the manufacture, we used a sheet material scintillator BC-408 from Saint-Gobain Crystals.

Светоотражающие экраны были изготовлены из светоотражающего листового пленочного материала ESR фирмы 3 М методом лазерной резки на специальном станке ЧПУ.The reflective screens were made of 3M ESR reflective sheet film material by laser cutting on a special CNC machine.

Сравнительные результаты исследования свойств монолитного блока сцинтилляционных ячеек 13 состоящего из единого массива отдельных сцинтилляционных ячеек имеющего по единому светоотражающему экрану на каждой стороне с образцом аналогичным конструкции прототипа сцинтилляционного детектора AHCAL 14, состоящим из массива единичных сцинтилляционных ячеек 3 показали следующее:Comparative results of studying the properties of a monolithic block of scintillation cells 13 consisting of a single array of separate scintillation cells having a single reflective screen on each side with a sample similar to the design of the prototype of the scintillation detector AHCAL 14, consisting of an array of single scintillation cells 3 showed the following:

1. Световыход необлученного монолитного блока сцинтилляционных ячеек практически не отличается от световыхода необлученных отдельных единичных сцинтилляционных ячеек прототипа. Среднее чисто фотоэлектронов (ф.э.), полученное при измерении 10 образцов отдельных единичных сцинтилляционных ячеек (материал ячеек- ВС-408 - аналогичный прототипу), обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала ESR, составляет 21.9±0.9 ф.э. Среднее число ф.э., измеренное на 16 ячейках для монолитного блока сцинтилляционных ячеек, укомплектованного с двух сторон светоотражающими экранами из светоотражающего материала ESR, составляет 21.4±0.5 ф.э. Результаты измерений показывают, что световыход сцинтилляционных ячеек, изготовленных в виде монолитного блока, составляет 98±4.7% по отношению к световыходу ячеек обернутых индивидуально. Единые светоотражающие экраны для массива сцинтилляторов, повышают однородность светосбора по сравнению с сцинтилляторами, обернутыми в индивидуальные конверты из светоотражающего материала. Все измерения проводились в одинаковых условиях на экспериментальном стенде, используя в качестве фотоприемника кремниевые фотоприемники S12572-015Р фирмы Hammatsu.1. The light output of an unirradiated monolithic unit of scintillation cells practically does not differ from the light output of unirradiated individual single scintillation cells of the prototype. The average of pure photoelectrons (PMEs), obtained by measuring 10 samples of individual single scintillation cells (the material of the cells is VS-408, is similar to the prototype), wrapped in individual envelopes made of reflective ESR material, is 21.9 ± 0.9 PME. The average PMT number measured on 16 cells for a monolithic block of scintillation cells equipped on both sides with reflective screens made of reflective ESR material is 21.4 ± 0.5 PME. The measurement results show that the light yield of scintillation cells made in the form of a monolithic block is 98 ± 4.7% with respect to the light yield of individually wrapped cells. Single reflective screens for the scintillator array, increase the uniformity of light collection compared to scintillators wrapped in individual envelopes made of reflective material. All measurements were carried out under the same conditions on an experimental stand, using silicon photodetectors S12572-015P from Hammatsu as a photodetector.

2. Вследствие возможного неплотного прилегания светоотражающего экрана к плоской поверхности монолитного блока сцинтилляционных ячеек, возможно перетекание света между соседними ячейками. Вероятность такого процесса исследовалась с помощью радиоактивного источника 90Sr. и космического излучения. Вероятность регистрации света в соседней с облучаемой ячейкой при толщине склеивающего и, одновременно, разделяющего слоя в 1 мм получилась равный не более 0.15% для измерений на радиоактивном источнике 90Sr и менее 0.2% для исследований на космическом излучении.2. Due to the possible loose fit of the reflective screen to the flat surface of the monolithic block of scintillation cells, light may flow between adjacent cells. The likelihood of such a process was investigated using a 90 Sr radioactive source. and cosmic radiation. The probability of detecting light in a cell adjacent to the irradiated cell with a thickness of the bonding and, at the same time, separating layer of 1 mm turned out to be equal to no more than 0.15% for measurements on a radioactive source of 90 Sr and less than 0.2% for studies on cosmic radiation.

3. Радиационная стойкость монолитного блока сцинтилляционных ячеек и ячеек прототипа исследовалась на реакторе ИБР-2 ОИЯИ. Образцы сцинтилляторов облучались потоком нейтронов и гамма-квантов до величины поглощенной дозы 0.65 Мрад (мощность дозы составляла 2.1 Крад/час). Средний световыход сцинтилляционных ячеек, измеренный после облучения, составил 14.0±0.2 ф.э. для индивидуальных сцинтилляционных ячеек и 13.7±0.6 ф.э. для ячеек, образующих монолитный блок. Таким образом, относительный световыход (нормированный на световыход отдельных сцинтилляционных ячеек до облучения) при облучении образцов до дозы 0.65 Мрад и мощности дозы 2.1 кРад/час составляет 63.9±4.3% для отдельно завернутых сцинтилляционных ячеек и 62.4±4.9% для ячеек внутри монолитного блока сцинтилляционных ячеек.3. The radiation resistance of a monolithic block of scintillation cells and prototype cells was investigated at the IBR-2 JINR reactor. Scintillator samples were irradiated with a flux of neutrons and gamma quanta to an absorbed dose of 0.65 Mrad (dose rate was 2.1 Crad / hour). The average light yield of the scintillation cells, measured after irradiation, was 14.0 ± 0.2 p.e. for individual scintillation cells and 13.7 ± 0.6 p.e. for cells that form a monolithic block. Thus, the relative light yield (normalized to the light yield of individual scintillation cells before irradiation) when the samples are irradiated to a dose of 0.65 Mrad and a dose rate of 2.1 kRad / h is 63.9 ± 4.3% for individually wrapped scintillation cells and 62.4 ± 4.9% for cells inside a monolithic scintillation unit. cells.

В пределах ошибок измерений радиационная стойкость отдельных сцинтилляционных ячеек, обернутых в индивидуальные конверты из светоотражающего материала ESR и сцинтилляционных ячеек монолитного блока сцинтилляционных ячеек со светоотражающими экранами из того же материала ESR практически совпадает.Within the limits of measurement errors, the radiation resistance of individual scintillation cells wrapped in individual envelopes made of ESR reflective material and scintillation cells of a monolithic block of scintillation cells with reflective screens made of the same ESR material practically coincides.

Claims (1)

Сцинтилляционный детектор, включающий по крайней мере один массив единичных сцинтилляционных ячеек с лунками для сбора света, изолированных по свету между собой и с отверстиями для выхода света в сторону парных ячейкам кремниевых фотоприемников, которые расположены массивом на прилегающей к ячейкам печатной плате, отличающийся тем, что массив единичных сцинтилляционных ячеек выполнен в виде монолитного блока единичных сцинтилляционных ячеек (сцинтилляционного блока), изготовленного из цельного листа сцинтиллятора, который разделен на ячейки любой геометрической формы структурой, полученной путем локального изъятия основного материала листа на всю его глубину по периметру границ ячеек и заполнения освободившегося места материалом со светоотражающим свойством, при этом образующий ячейки материал листа сохраняет свое геометрическое положение в блоке; светоотражающие экраны сцинтилляционного блока выполнены в виде двух отдельных листов, прилегающих к плоским поверхностям блока с двух сторон; светоотражающий экран, который расположен между поверхностью сцинтилляционного блока с лунками и печатной платой с кремниевыми фотоприемниками, имеет отверстия для света, выходящего из лунок единичных ячеек в направлении парных им фотоприемников; светоотражающий экран, прилегающий к плоской поверхности сцинтилляционного блока, не имеющей лунок, делается сплошным и прижимается к этой поверхности крышкой; сцинтилляционный блок, печатная плата с массивом кремниевых фотоприемников, светоотражающие экраны и крышка детекторного модуля имеют как минимум по два реперных отверстия для точного совмещения компонентов детектора крепежными элементами при сборке сцинтилляционного детекторного модуля.A scintillation detector, including at least one array of single scintillation cells with light collection wells, isolated by light between themselves and with holes for light to exit towards paired cells of silicon photodetectors, which are arranged in an array on a printed circuit board adjacent to the cells, characterized in that an array of single scintillation cells is made in the form of a monolithic block of single scintillation cells (scintillation block) made of a single scintillator sheet, which is divided into cells of any geometric shape by a structure obtained by local removal of the main sheet material to its entire depth along the perimeter of the cell boundaries and filling the vacated places with a material with a reflective property, while the cell-forming material of the sheet retains its geometric position in the block; reflective screens of the scintillation unit are made in the form of two separate sheets adjacent to the flat surfaces of the unit on both sides; a reflective screen, which is located between the surface of the scintillation unit with holes and a printed circuit board with silicon photodetectors, has holes for light coming out of the holes of the unit cells in the direction of the paired photodetectors; the reflective screen, adjacent to the flat surface of the scintillation unit, which does not have holes, is made solid and is pressed against this surface by a cover; scintillation unit, printed circuit board with silicon photodetector array, reflective screens and detector module cover each have at least two reference holes for precise alignment of detector components with fasteners when assembling the scintillation detector module.
RU2020125024A 2020-07-20 2020-07-20 Scintillation detector RU2748153C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125024A RU2748153C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Scintillation detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125024A RU2748153C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Scintillation detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2748153C1 true RU2748153C1 (en) 2021-05-19

Family

ID=75919817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020125024A RU2748153C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Scintillation detector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2748153C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816242C1 (en) * 2023-01-10 2024-03-27 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Method for assembling supermodules for detecting ionizing radiation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2444762C1 (en) * 2010-09-30 2012-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" Scintillation detector
RU131588U1 (en) * 2013-02-04 2013-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "МТ" (ООО "НТЦ-МТ") SCINTILLATION DETECTOR
CN204241697U (en) * 2014-12-08 2015-04-01 上海太弘威视安防设备有限公司 Three-dimensional space curved surface multi-energy scintillation detector

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2444762C1 (en) * 2010-09-30 2012-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" Scintillation detector
RU131588U1 (en) * 2013-02-04 2013-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "МТ" (ООО "НТЦ-МТ") SCINTILLATION DETECTOR
CN204241697U (en) * 2014-12-08 2015-04-01 上海太弘威视安防设备有限公司 Three-dimensional space curved surface multi-energy scintillation detector

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Felix Sefkow and Frank Simon. On behalf of the CALICE Collaboration. "A highly granular SiPM-on-tile calorimeter prototype". 18th International Conference on Calorimetry in Particle Physics (CALOR2018). IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1162 (2019) 012012. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816242C1 (en) * 2023-01-10 2024-03-27 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Method for assembling supermodules for detecting ionizing radiation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110211675A1 (en) Stabilization in gamma-ray spectometry
US20120217386A1 (en) Organic-scintillator compton gamma ray telescope
Sugathan et al. Neutron detector array at IUAC: Design features and instrumentation developments
JP2008510131A (en) Arrangement of scintillator and anti-scatter grid
US9535177B2 (en) Gamma-ray spectrometry
US10353083B2 (en) Monolithic digital x-ray detector stack with energy resolution
US7928396B2 (en) Method for obtaining a scintillation structure
Adriani et al. The CALOCUBE project for a space based cosmic ray experiment: Design, construction, and first performance of a high granularity calorimeter prototype
RU2748153C1 (en) Scintillation detector
CN112285757B (en) Radiation monitoring device and method
CN113040800A (en) PET detector, PET imaging system and gamma ray positioning method
US20150268357A1 (en) Method for producing radiation detector
Hamzawy et al. New numerical simulation method to calibrate the regular hexagonal NaI (Tl) detector with radioactive point sources situated non-axial
Kandzia et al. Development of a liquid scintillator based active fission target for FIPPS
CN113433581B (en) Low-background alpha and beta ray detection device
RU2776102C1 (en) Method for positioning scintillation cells in segmented detectors and apparatus for implementation thereof
CN113640859A (en) Multi-parameter measuring system for testing environmental adaptability of radiation dosimeter
US7599463B2 (en) Remote sensing device to detect materials of varying atomic numbers
Hausladen et al. A deployable fast-neutron coded-aperture imager for quantifying nuclear material
Xie et al. A γ-photon detector based on liquid light guide for whole-body PET
Held et al. Construction of the Forward Endcap Calorimeter of the PANDA Experiment at FAIR
CN108333620B (en) Detection device and positioning method of medium-low energy ray source
CN117130032B (en) Method, device and storage medium for orienting omnidirectional radioactive source
RU2759244C1 (en) Compact space radiation detector for use on small spacecraft
US11693134B2 (en) System and method for directional detection of radiation