RU2814061C1 - Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения - Google Patents
Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814061C1 RU2814061C1 RU2023118645A RU2023118645A RU2814061C1 RU 2814061 C1 RU2814061 C1 RU 2814061C1 RU 2023118645 A RU2023118645 A RU 2023118645A RU 2023118645 A RU2023118645 A RU 2023118645A RU 2814061 C1 RU2814061 C1 RU 2814061C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- gamma
- sensitive
- scintillator
- light guide
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 37
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 10
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 35
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 229920002102 polyvinyl toluene Polymers 0.000 description 6
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L barium sulfate Chemical compound [Ba+2].[O-]S([O-])(=O)=O TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- RFVFQQWKPSOBED-PSXMRANNSA-N 1-myristoyl-2-palmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC(=O)O[C@@H](COP([O-])(=O)OCC[N+](C)(C)C)COC(=O)CCCCCCCCCCCCC RFVFQQWKPSOBED-PSXMRANNSA-N 0.000 description 1
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003016 Lu2SiO5 Inorganic materials 0.000 description 1
- PJANXHGTPQOBST-VAWYXSNFSA-N Stilbene Natural products C=1C=CC=CC=1/C=C/C1=CC=CC=C1 PJANXHGTPQOBST-VAWYXSNFSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- IFYDWYVPVAMGRO-UHFFFAOYSA-N n-[3-(dimethylamino)propyl]tetradecanamide Chemical compound CCCCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN(C)C IFYDWYVPVAMGRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- PJANXHGTPQOBST-UHFFFAOYSA-N stilbene Chemical compound C=1C=CC=CC=1C=CC1=CC=CC=C1 PJANXHGTPQOBST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000021286 stilbenes Nutrition 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области детектирования источников нейтронного и гамма-излучения с помощью сцинтилляционных детекторов. Сцинтилляционный блок сцинтилляционного детектора нейтронного и гамма-излучения выполнен в виде световода, покрытого светоотражающим слоем и состоящего по меньшей мере из двух чередующихся слоев нейтронно-чувствительного сцинтиллятора и выполненного прозрачным гамма-чувствительного сцинтиллятора, при этом детектор содержит один или два кремниевых фотоумножителя, установленных с одной или с двух торцевых сторон световода соответственно, каждый из которых оптически соединен со световодом через дополнительно установленную и покрытую светоотражающим слоем собирающую линзу. Технический результат – повышение эффективности регистрации нейтронного и гамма-излучения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области детектирования источников нейтронного и гамма-излучения с помощью сцинтилляционных детекторов, работающих на основе кремниевых фотоумножителей, и может быть использовано в различных системах регистрации ионизирующий излучений, в частности в компактных дозиметрах, дифракционных установках, установках для дозиметрического контроля.
В настоящее время происходит активное развитие детекторов, работающих на основе различных сцинтилляторов и твердотельных фотоумножителей. Данный тип детекторов широко известен под общим названием кремниевый фотоумножитель (Si-ФЭУ, MAPD, МРРС, SiPM, G-APD и т.д.) [1]. Принцип работы подобных устройств основан на конверсии ионизирующего излучения специальным сцинтиллятором, например, ZnS:Li6 - для нейтронов, Lu2SiO5:Ce - для гамма-излучения, и дальнейшей доставки света до светочувствительного элемента - ячейки кремниевого фотоумножителя. Как правило съем фотонов с нейтронного сцинтиллятора обеспечивается различными световодами, так как высокоэффективные сцинтилляторы для регистрации нейтронов в большинстве случаев являются не прозрачными. В то же время, сцинтилляторы для регистрации гамма-излучения достаточно прозрачны [2].
Известен сцинтилляционный детектор гамма-излучения [3], включающий датчик-сцинтиблок и блок обработки сигналов, в котором датчик-сцинтиблок содержит сцинтилляционный неорганический кристалл и фотодетектор (фотоэлектронный умножитель или фотодиод). Однако детектор с таким датчиком-сцинтиблоком непригоден для регистрации одновременно нейтронного и гамма-излучения и характеризуется более крупными габаритами.
Известен сцинтилляционный детектор для регистрации быстрых нейтронов и гамма-излучения [4], содержащий один датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор в форме призмы или цилиндра для регистрации быстрых нейтронов, выполненный по крайней мере с одним полым каналом и размещенным в нем волоконным сцинтилляционным световодом, светоотражающее зеркало, фотодиодное фотоприемное устройство и блок обработки сигналов. Волоконный сцинтилляционный световод изготовлен из ортогерманата висмута (BGO), который в свою очередь обладает высокой эффективностью регистрации гамма-излучения и также служит смесителем спектра для регистрации нейтронов. Смесители спектра (спектросмещающие волокна) служит для преобразования УФ-свечения пластикового сцинтиллятора с длиной волны 282 нм, несущей информацию о зарегистрированных быстрых нейтронах, в излучение с длиной волны 480-520 нм. Как правило коэффициент преобразования спектросмещающих волокон достаточно низкий (не более 40%), что приводит к потере фотонов от регистрации нейтронов, а следовательно, к более низкой эффективности. Быстрые нейтроны попадая в датчик-сцинтиблок активно взаимодействуют с веществом пластикового сцинтиллятора и вызывают появление быстрых протонов - ядер отдачи водорода, входящего в состав пластика. Регистрация нейтронов через ядра отдачи водорода требует достаточного объема водородосодержащего вещества, что не позволяет создать высокоэффективный и компактный (не менее 100x100x100 мм) детектор, который при этом обладает геометрией с существенными ограничениями.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения [5], содержащий сцинтилляционный блок, выполненный в виде датчика и состоящий из размещенных в едином корпусе внешнего нейтронно-чувстительного и внутреннего гамма-чувствительного сцинтилляторов, и кремниевый фотоумножитель, подключаемый к блоку обработки сигналов. Внешний нейтронно-чувствительный сцинтиллятор выполнен из чувствительного к быстрым нейтронам водородосодержащего вещества на основе пластмассы (СН)n или стильбена, а внутренний гамма-чувствительный сцинтиллятор NaI-Tl размещен в колодце внешнего сцинтиллятора. Датчик содержит два чехла из борсодержащего материала, обеспечивающих реакцию (n,α,γ), причем первый чехол охватывает внешний нейтронно-чувствительный сцинтиллятор, а второй чехол охватывает внутренний гамма-чувствительный сцинтиллятор NaI-Tl.
Устройство работает следующим образом. Под действием быстрых нейтронов, попадающих в объем внешнего нейтронно-чувствительного сцинтиллятора, в нем возникают световые вспышки с длиной волны излучения 400-420 нм и с длительностью до 2-3 нс, которые поступают через оптический контакт на фотокатод кремниевого фотоумножителя, создавая на его выходе электрические импульсы длительностью 2-3 нс. Быстрые нейтроны, проходя через нейтронно-чувствительный сцинтиллятор, теряют свою энергию за счет столкновений с ядрами водорода, при этом они замедляются и регистрируются как тепловые нейтроны по реакции (n,α,γ). Тепловые нейтроны поступают в чехол гамма-чувствительного сцинтиллятора, ядра бора которого поглощают α-частицы (чехол непрозрачен и сцинтилляций под действием α-частицы в нем не происходит), а возбужденное ядро 7Li переходит в основное состояние с испусканием γ-кванта с энергией ~0,48 МэВ, который попадает в сцинтиллятор NaI-Tl и регистрируется в нем. Испускаемые источником излучения первичные γ-кванты проникают через стенки корпуса детектора, через внешний чехол и через сам водородосодержащий материал внешнего нейтронно-чувствительного сцинтиллятора и регистрируются в основном с помощью гамма-чувствительного сцинтиллятора-кристалла NaI-Tl, вызывая в нем световые вспышки с длинной волны 410 нм и длительностью τ=250 нс, которые через оптический контакт поступают на фотокатод фотоумножителя, создавая на его выходе электрические импульсы, длительностью 250 нс. Первичные γ-кванты, особенно γ-кванты мягкой области спектра 0,4-0,5 МэВ, частично регистрируются и органическим нейтронно-чувствительным сцинтиллятором, однако создаваемые им электрические импульсы, при длительности 3-5 нс имеют в несколько раз меньшую амплитуду.
В итоге, на блок обработки сигналов с фотоумножителем поступает несколько основных групп сигналов, различных по длительности и амплитуде, которые требуют сложной обработки, что определяет высокие требования к блоку обработки сигналов. Одна группа сигналов от органического нейтронно-чувствительного сцинтиллятора, создаваемая быстрыми нейтронами, с длительностью не выше 3-5 нс, и высокой амплитудой (при этом значительная доля быстрых нейтронов не регистрируется органическим сцинтиллятором). Гамма-кванты при этом регистрируются в основном кристаллом NaI-Tl, что образует вторую группу сигналов длительностью 250 нс. В эту же группу сигналов, но меньшей амплитуды, попадают и сигналы, создаваемые первичными тепловыми нейтронами от источника, после их взаимодействия с ядрами бора в чехле нейтронно-чувствительного сцинтиллятора.
При этом внутренний гамма-чувствительный кристалл-сцинтиллятор NaI-Tl несет информацию как о гамма-составляющей, так и нейтронной компоненте излучения от источника, и регистрирует несколько типов γ-квантов: регистрирует внешние γ-кванты, соответствующие измеряемому γ-полю, и внутренние γ-кванты, рожденные тепловыми нейтронами ((n,α,γ)-реакция) во внутреннем чехле из борсодержащего материала. Также происходит регистрация нейтронов в гамма-чувствительном кристалл-сцинтилляторе по внутренним γ-квантам, рожденным тепловыми нейтронами после их поглощения во внешнем чехле из борсодержащего материала по реакции (n,α,γ), что не позволяет достоверно оценить внешний гамма-фон при его энергии равному энергии гамма-частицы полученный от регистрации нейтрона (0.48 МэВ). Кроме того γ-кванты, имеющие 4π-распределение (т.е. испускаются сферически симметрично) поступают не только в кристалл NaI-Tl, но и во внешний органический нейтронно-чувствительный сцинтиллятор, обладающий малой эффективностью их регистрации (из-за его малого атомного номера намного меньше, чем таковая для NaI-Tl сцинтиллятора), и они легко дискриминируются при анализе. Кроме того, наличие светонепроницаемого чехла из карбида или нитрида бора приводит к тому, что часть сцинтилляций от пластика в нем теряется. Указанные недостатки снижают эффективность регистрации и усложняет конструкцию устройства.
Вместе с тем, известный детектор характеризуется большими габаритами, ввиду конструктивных и физических свойств сцинтилляторов с чехлами. При этом геометрия детектора обладает существенными ограничениями, так как конструктивные особенности устройства не позволяют изменять количество сцинтилляторов, размеры которых при этом могут иметь довольно ограниченные значения, что ограничивает чувствительный объем и возможный диапазон размеров детектора. Также, низкая стойкость к удару (из-за низкой гигроскопичности сцинтилляционного кристалла NaI-Tl) и высокие требованиями к герметизации не позволяют создать детектор достаточно больших размеров.
Таким образом, известный детектор обеспечивает счет нейтронов широкого спектра энергий как быстрых, так и тепловых, однако характеризуется невысокой эффективностью регистрации (количество зарегистрированных нейтронов или гамма-частиц по отношению к общему количеству на единицу площади) при больших габаритах устройства с фиксированной геометрией, что ограничивает область применения устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности регистрации детектора к нейтронному и гамма-излучению с возможностью оптимизации геометрии устройства, что позволяет расширить его область применения.
Поставленная задача решается тем, что в сцинтилляционном детекторе нейтронного и гамма-излучения, содержащем сцинтилляционный блок, состоящий из нейтронно-чувствительного и гамма-чувствительного сцинтилляторов, и кремниевый фотоумножитель, подключаемый к блоку обработки сигналов, новым является то, что сцинтилляционный блок выполнен в виде световода со слоистой структурой, покрытого светоотражающим слоем и состоящего по меньшей мере из двух чередующихся и склеенных между собой тонких слоев нейтронночувствительного сцинтиллятора, выполненного из непрозрачного вещества на основе ZnS, и гамма-чувствительного сцинтиллятора, выполненного прозрачным из водородсодержащего вещества на основе пластмассы, при этом детектор содержит один или два кремниевых фотоумножителя, установленных с одной или с двух торцевых сторон световода соответственно, каждый из которых оптически соединен со световодом через дополнительно установленную покрытую светоотражающим слоем собирающую линзу, одна сторона которой по всей площади прилегает к торцевой стороне световода, а противоположная - ко всей фоточувствительной области кремниевого фотоумножителя, при этом собирающая линза и гамма-чувствительный сцинтиллятор выполнены из одного материала.
Предпочтительно выполнение световода из 1-10 слоев нейтронночувствительного сцинтиллятора, чередующихся с 1-10 слоями гамма-чувствительного сцинтиллятора соответственно.
Предпочтительно выполнение каждого слоя нейтронночувствительного сцинтиллятора с толщиной 0,45 мм, а каждого слоя гамма-чувствительного сцинтиллятора с толщиной 2,5 мм.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
- на фиг. 1 схематически представлен сцинтилляционный детектор, в котором кремниевый фотоумножитель с собирающей линзой установлены с одной торцевой сторон световода;
- на фиг. 2 схематически представлен сцинтилляционный детектор, в котором с кремниевые фотоумножители и собирающие линзы установлены с двух торцевых сторон световода;
- на фиг 3. представлен график зависимости эффективности регистрации нейтронного и гамма- излучения от количества слоев.
Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения, содержит сцинтилляционный блок 1, выполненный в виде световода 2, покрытого светоотражающим слоем (на рисунке не показан) из фторопласта (фиг. 1). Световод 2 состоит из чередующихся слоев нейтронночувствительного сцинтиллятора 3, выполненного из непрозрачного вещества 6Li (ZnS(Ag):6LiF) (сцинтиллятор на основе ZnS, активированного серебром, с добавлением в качестве конвертора 6LiF), и гаммачувствительного сцинтиллятора 4, выполненного прозрачным из водородсодержащего вещества на основе пластмассы с высокой степенью прозрачности - поливинилтолуола. В светотоводе со слоистой структурой поочередно склеены слои нейтронно-чувствительного сцинтиллятора и гамма-чувствительного сцинтиллятора с помощью клея типа оптический цемент с высокой прозрачностью (например EJ-500) с последующей сушкой в вакууме при температуре 50 градусов в течении 24 часов для устранения неоднородностей в клеевой прослойке.
Количество чередующихся слоев нейтронно-чувствительного и гамма-чувствительных сцинтилляторов 3, 4, может быть, различное и определяется требуемым объемом чувствительного вещества для достижения оптимально высокой эффективности регистрации нейтронного и гамма-излучения. Увеличение количества достаточно тонких слоев сцинтилляторов в световоде 2 позволяет увеличить чувствительный объем детектора без существенного увеличения его габаритов и оптимизировать геометрию световода в зависимости от области применения и выполняемых задач. Выполнение световода 2 из чередующихся слоев нейтронночувствительного сцинтиллятора 3 и прозрачного гамма-чувствительного сцинтиллятора 4 позволяет увеличить объем нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3, исключая потери фотонов в его объеме, тем самым увеличивая эффективность регистрации нейтронов. Увеличение же объема путем увеличения толщины слоя нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3 приводит к поглощению фотонов с объемов световода 2 в объеме непрозрачного нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3.
Максимальная длина световода 2 определяется коэффициентом пропускания света прозрачного гамма-чувствительного сцинтиллятора 4, и для данного гамма-чувствительного сцинтиллятора 4 из поливинилтолуола может достигать 220 мм.
С одной торцевой стороны световода 2 установлен кремниевый фотоумножитель 5, оптически соединенный со световодом 2 через покрытую светоотражающим слоем (на рисунке не показан) из фторопласта собирающую линзу 6. Для сохранения эффективности регистрации собирающая линза 6 одной стороной прилегает по всей площади к торцевой стороне световода 2, а противоположной стороной прилегает ко всей фоточувствительной области кремниевого фотоумножителя 5.
Для увеличения объема прозрачного гамма-чувствительного сцинтиллятора 4 в детекторе без существенного увеличения его размеров, собирающая линза 6 выполнена из поливинилтолуола - того же прозрачного материала что и гамма-чувствительный сцинтиллятор 4, что способствует повышению эффективности регистрации и снижению габаритов устройства.
Светоотражающие слои световода 2 и собирающей линзы 6 могут быть выполнены в виде нанесенной светоотражающей краски EJ-510 или краски на основе сульфата бария или диоксида титана, и служат для защиты от внешнего света и сокращения оптических потерь, вызываемых рассеянием во внешних оболочках световода 2 и собирающей линзы 6, что повышает эффективность сбора фотонов.
Предлагаемый детектор может содержать два кремниевых фотоумножителя 5, установленных с двух торцевых сторон световода 2, каждый из которых оптически соединен со световодом 2 через дополнительно установленную и покрытую светоотражающим слоем собирающую линзу 6, а вход каждого кремниевого фотоумножителя 5 подсоединен к блоку обработки сигналов (фиг. 2). Количество кремниевых фотоумножителей в большей степени определяется требуемыми размерами длины и ширины световода 2 (тогда как эффективность световода повышается за счет увеличения чувствительного объема сцинтилляторов). Установка одного кремниевого фотоумножителя 5 экономически целесообразна при размере длины и ширины детектора до 220×220 мм. Установка двух кремниевых фотоумножителей 5 с двух торцевых сторон световода 2 через собирающие линзы 6 приводит к сокращению оптических потерь при сборе фотонов, что позволяет увеличить длину световода 2 примерно в два раза, длина и ширина которого может достигать 440*440 мм.
Устройство работает в полях нейтронного и гамма-излучения следующим образом. В объем сцинтилляционного блока 1 попадает нейтронное либо гамма-излучение. Под действием нейтронов, попадающих в объем нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3, в нем возникают световые вспышки (или вспышки фотонов) с длиной волны излучения 450 нм с длительностью до 200-300 нс. Эти световые вспышки, из слоя (или слоев) нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3 переходят в соседний слой (или соседние слои) прозрачного гамма-чувствительного сцинтиллятора 4, где за счет его прозрачности и отражения от светоотражающего слоя из фторопласта световода 2 практически без потерь попадают через оптический контакт в собирающую линзу 5 и далее в кремниевый фотоумножитель 5, создавая на его выходе электрические импульсы длительностью 2-3 нс.
Нейтронно-чувствительный сцинтиллятор 3 на основе ZnS с добавлением изотопов для конвертации нейтронов (6Li или 10В), которые делают его практически непрозрачным для собственного излучения и тем самым ограничивают его толщину примерно до 0.5 мм, обладает высокой эффективностью регистрации как тепловых (до 38%), так и быстрых нейтронов при малых толщинах сцинтиллятора, что повышает эффективность регистрации и снижает габариты детектора.
В объеме прозрачного гамма-чувствительного сцинтиллятора 4, выполненного из водородсодержащего вещества на основе пластмассы (в частности из поливинилтолуола), происходит замедление быстрых нейтронов до уровня тепловых (при этом сохраняется возможность регистрации гамма-излучения и обеспечивается 90-100%ный светосбор фотонов, возникающих в нейтронном- и гамма-чувствительных сцинтилляторах 3, 4), и перенос фотонов через прозрачный гамма-чувствительный сцинтиллятор 4 и собирающую линзу 6 на кремниевый фотоумножитель 5, что способствует повышению эффективности регистрации быстрых нейтронов.
Собирающая линза 6 при этом служит для концентрации фотонов на чувствительном объеме кремниевого фотоумножителя 5 и позволяет согласовать размеры световода 2 с размером активной области кремниевого фотоумножителя 5, тем самым уменьшая потери фотонов от переотражения от стенок световода 2, повышая эффективность регистрации.
Аналогичным образом происходит регистрация гамма-излучения, только конвертация излучения в фотоны происходит сразу в прозрачном гамма-чувствительном сцинтилляторе 4. Гамма-кванты вызывают в слое гамма-чувствительного сцинтиллятора 4 световые вспышки с длинной волны 410 нм и длительностью τ=1-50 нс. Эти световые вспышки попадают через оптический контакт в собирающую линзу 5 и далее в кремниевый фотоумножитель 5, создавая на его выходе электрические импульсы различной длительности.
Сигнал с кремниевого фотоумножителя 5 попадает на зарядо-чувствительный усилитель блока обработки сигналов (на рисунке не показан). Усиленный сигнал попадает на вход типового амплитудного анализатора импульсов блока обработки сигналов. При установке в детекторе с двух сторон световода 2 кремниевых фотоумножителей 5 с собирающими линзами 6, сигнал с каждого попадает на зарядо-чувствительный усилитель блока обработки сигналов. Сигналы с зарядо-чувствительного усилителя имеют различную длительность: для нейтронного излучения (порядка 200-300 нс), для гамма-излучения значительно ниже (1-50 нс), что позволяет определить форму импульса, получаемую с выхода кремниевого фотоумножителя 5 и тип зарегистрированного излучения.
В предлагаемом детекторе основной путь регистрации нейтронов основан на регистрации α-частицы в объеме непрозрачного нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3 и преобразование ее в фотоны. Распространение α-частицы отличается от 4π-распределения и имеет более сложную форму, связанную с пробегом частицы в объеме нейтронно-чувствительного сцинтиллятора 3, выход частицы из объема сцинтиллятора при этом практически исключается. Регистрация нейтрона по α-частице позволяет получить более высокое количество фотонов, повышая эффективность регистрации. Типовое время испускания фотонов при регистрации нейтрона сцинтиллятором ZnS 200-300 нс.
Гамма-частица, испускаемая при захвате нейтрона, также регистрируется в объеме гамма-чувствительного сцинтиллятора и служит для увеличения световыхода при регистрации нейтронов. За счет меньшей длины вспышки фотонов от гамма-излучения (от 1 до 50 нс) обеспечивается возможность достоверно различать нейтронное и гамма-излучения и дискриминировать гамма-частицу, испускаемую при захвате нейтрона, тем самым обеспечивая возможность проводить спектрометрический анализ во всем диапазоне энергий.
Расчетным путем установлена эффективность регистрации нейтронного и гамма-излучения предлагаемого детектора, для световода с количеством слоев от 1 до 10 нейтронно-чувствительного сцинтиллятора на основе ZnS и с количеством слоев от 1 до 10 гамма-чувствительного сцинтиллятора из прозрачного поливинилтолуола (фиг.3). При расчетах использовался известный метод, основанный на учете задержки и захвата нейтронов каждым слоем сцинтиллятора [6], [7]. Для расчетов используются формулы:
где εi - эффективность регистрации слоя i, %
ε1 - эффективность регистрации сцинтиллятора, %
εобщ - общая эффективность регистрации, %
n - общее количество слоев.
В качестве ε1 для нейтронов использовано значение эффективности, указанное у производителя сцинтиллятора на основе ZnS, активированного серебром, с добавлением в качестве конвертора 6LiF (Эффективность 36%, толщина 0.45 мм) [8]. Для гамма-чувствительного сцинтиллятора из поливинилтолуола значение эффективности равно 36.41% при толщине 2.5 мм [9].
Из расчетов, представленных на фиг.3 видно, что даже при одном слое нейтронно-чувствительного и гамма-чувствительного сцинтиллятора (кривые практически совпадают) достигается достаточно высокая эффективность в пределах 36% как для гамма так и для нейтронного излучения, при толщине световода детектора менее 5 мм. С увеличением количества слоев эффективность увеличивается и уже при 10-ти слоях нейтронно-чувствительного и 10-ти слоях гамма-чувствительного сцинтиллятора приближается к 100% как для гамма так и для нейтронного излучения, при этом толщина детектора составляет не более 30 мм.
Таким образом, конструктивные особенности предлагаемого детектора обеспечивают высокий светосбор сцинтилляций в слоистой структуре световода, что позволяет повысить эффективность регистрации, которая варьируется в диапазоне от 36% до практически 100% (при 10 слоях) при малых габаритах детектора. При этом, имея возможность варьировать чувствительным объемом (количеством и толщиной слоев) и размерами световода в широких диапазонах (длиной и шириной) возможно оптимизировать геометрию детектора и изготавливать достаточно компактные высокоэффективные детекторы с размерами не более 5x5x5 мм, которые могут использоваться в персональных дозиметрах и для создания позиционно-чувствительного матричного детектора, так и детекторы с большой чувствительной площадью, достигающей 220x220 мм и выше при требуемой толщине, которые могут использоваться для дифракционных установок и установок для дозиметрического контроля, что расширяет область применения устройства.
Литература
1. Каталог компании Азимут Фотоникс, дата обращения 07.07.2023, режим доступа https://azimp.ru/catalogue/silicon-pm2/, свободный
2. Каталог компании Азимут Фотоникс, дата обращения 07.07.2023, режим доступа https://azimp.ru/catalogue/scintillator/35, свободный
3 RU 2142147 C1,МПК G01T 1/20 опубл.27.11.1999.
4. RU 23037987 С2, МПК G01T1/203, опубл. 27.07.2007.
5. RU 2189057 С2, МПК G01T1/20 опубл. 10.09.2002.
6. Setsuo Satoh,Fiber multilayered ZnS position-sensitive neutron detector with high detection efficiency,Physica B: Condensed Matter,Volume 551,2018,Pages 401-404,ISSN 0921-4526, https://doi.org/10.1016/i.physb.2018.03.011, Belian, A.P., Dye, H.R., Ensslin, Norbert, Geist, W.H., Horley, E.C., Ianakiev, K.D., Kusner, M.R., Mayo, D.R., Russo, P.A., Sweet, M.R., & Browne, M.C. (Jan 2001). Prototype neutron-capture counter for fast-coincidence assay of plutonium in residues (LA-UR--01-2164). United States
7. A. Toda and S. Kishimoto, "X-Ray Detection Capabilities of Plastic Scintillators Incorporated With Zr02 Nanoparticles," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 67, no. 6, pp. 983-987, June 2020, doi: 10.1109/TNS.2020.2978240
8. https://elientechnologv.com/products/neutron-detectors/ei-426, дата обращения 07.07.2023, режим доступа свободный
9. A. Toda and S. Kishimoto, "X-Ray Detection Capabilities of Plastic Scintillators Incorporated With Zr02 Nanoparticles," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 67, no. 6, pp. 983-987, June 2020.
Claims (3)
1. Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения, содержащий сцинтилляционный блок, состоящий из нейтронно-чувствительного и гамма-чувствительного сцинтилляторов, и кремниевый фотоумножитель, подключаемый к блоку обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтилляционный блок выполнен в виде световода со слоистой структурой, покрытого светоотражающим слоем и состоящего по меньшей мере из двух чередующихся и склеенных между собой тонких слоев нейтронно-чувствительного сцинтиллятора, выполненного из непрозрачного вещества на основе ZnS, и гамма-чувствительного сцинтиллятора, выполненного прозрачным из водородсодержащего вещества на основе пластмассы, при этом детектор содержит один или два кремниевых фотоумножителя, установленных с одной или с двух торцевых сторон световода соответственно, каждый из которых оптически соединен со световодом через дополнительно установленную покрытую светоотражающим слоем собирающую линзу, одна сторона которой по всей площади прилегает к торцевой стороне световода, а противоположная - ко всей фоточувствительной области кремниевого фотоумножителя, при этом собирающая линза и гамма-чувствительный сцинтиллятор выполнены из одного материала.
2. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что световод состоит из 1-10 слоев нейтронно-чувствительного сцинтиллятора, чередующихся с 1-10 слоями гамма-чувствительного сцинтиллятора соответственно.
3. Сцинтилляционный детектор по п. 2, отличающийся тем, что каждый слой нейтронно-чувствительного сцинтиллятора выполнен с толщиной 0,45 мм, а каждый слой гамма-чувствительного сцинтиллятора выполнен с толщиной 2,5 мм.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2814061C1 true RU2814061C1 (ru) | 2024-02-21 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2248588C2 (ru) * | 2003-04-25 | 2005-03-20 | ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ | Сцинтилляционный детектор |
| RU2323453C1 (ru) * | 2006-11-03 | 2008-04-27 | ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" | Световолоконный сцинтилляционный детектор |
| RU154865U1 (ru) * | 2015-06-22 | 2015-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. П.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2248588C2 (ru) * | 2003-04-25 | 2005-03-20 | ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ | Сцинтилляционный детектор |
| RU2323453C1 (ru) * | 2006-11-03 | 2008-04-27 | ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" | Световолоконный сцинтилляционный детектор |
| RU154865U1 (ru) * | 2015-06-22 | 2015-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. П.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Позиционно чувствительный детектор для одновременной регистрации нейтронного и гамма излучений |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7141799B1 (en) | Fiber optic thermal/fast neutron and gamma ray scintillation detector | |
| JP5231402B2 (ja) | 中性子及びガンマ線モニタ | |
| US7547887B2 (en) | Gamma ray spectrometers | |
| US8212220B2 (en) | Dual radiation detector | |
| RU2502088C2 (ru) | Устройство и способ для детектирования нейтронов посредством калориметрии на основе гамма-захвата | |
| JPH10232284A (ja) | 波長シフト型放射線センサおよび放射線検出装置 | |
| EA038969B1 (ru) | Устройство для детектирования гамма- и нейтронного излучения | |
| RU2300782C2 (ru) | Сцинтилляционный детектор нейтронов | |
| USH590H (en) | High-efficiency scintillation detector for combined of thermal and fast neutrons and gamma radiation | |
| RU2189057C2 (ru) | Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения | |
| RU2814061C1 (ru) | Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения | |
| JPH09197050A (ja) | 放射線検出器 | |
| RU2377598C2 (ru) | Сцинтилляционный детектор | |
| Hayward et al. | Simulated response of Cherenkov glass detectors to MeV photons | |
| CN112946721B (zh) | 一种能够同时鉴别α、β和γ射线的探测器及探测方法 | |
| Spector et al. | Scintillator fiber optic long counter for neutron detection | |
| RU2408902C1 (ru) | Двухкоординатный детектор | |
| RU2308056C1 (ru) | Сцинтилляционный детектор | |
| RU2259573C1 (ru) | Сцинтилляционный детектор быстрых и тепловых нейтронов | |
| RU105474U1 (ru) | Детектор для регистрации ионизирующих излучений | |
| EP3444639A1 (en) | Fast neutron detector based on proton recoil detection in a composite scintillator with embedded wavelength-shifting fibers | |
| RU2386148C1 (ru) | Призматический детектор | |
| RU79683U1 (ru) | Сцинтилляционный детектор | |
| RU119131U1 (ru) | Сцинтилляционный детектор электронов и бета-излучения | |
| RU79681U1 (ru) | Экспресс-детектор |