RU98826U1

RU98826U1 - SCINTILLATION DETECTOR

Info

Publication number: RU98826U1
Application number: RU2010112386/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Ищенко; Борис Владимирович Шульгин; Владимир Леонидович Петров; Александр Николаевич Черепанов; Валерий Иванович Арбузов; Владимир Юрьевич Иванов; Алексей Юрьевич Дерстуганов
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2010-10-27

Abstract

Сцинтилляционный детектор, содержащий размещенные в едином корпусе шаровой сцинтиллятор, состоящий из двух полусферических сцинтилляторов, фотоприемное устройство из двух PIN-фотодиодов, кабельный канал и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что полусферические сцинтилляторы выполнены из разных сцинтилляционных материалов и образуют два независимых регистратора излучений, первый из которых чувствителен к гамма-излучению, а второй - к нейтронному излучению, кабельный канал содержит два кабеля связи, а блок обработки сигналов состоит из двух модулей, причем первый регистратор сопряжен с первым PIN фотодиодом и подключен через первый кабель связи к первому модулю блока регистрации сигналов, а второй регистратор сопряжен со вторым PIN-фотодиодом и подключен через второй кабель связи ко второму модулю блока регистрации сигналов. A scintillation detector containing a ball scintillator located in a single housing, consisting of two hemispherical scintillators, a photodetector of two PIN photodiodes, a cable channel and a signal processing unit, characterized in that the hemispherical scintillators are made of different scintillation materials and form two independent radiation recorders, the first of which is sensitive to gamma radiation, and the second to neutron radiation, the cable channel contains two communication cables, and the signal processing unit contains OIT of two modules, the first recorder coupled to first PIN photodiode and is connected via a first cable connection to the first module signal registration unit, and the second recorder interfaced with the second PIN-photodiode and is connected via a second cable connection to a second module registration unit signals.

Description

Полезная модель относится к детекторным устройствам для регистрации гамма- и нейтронного излучений и может быть использована для обнаружения радиоактивных веществ и делящихся материалов при радиационном мониторинге территорий и отдельных объектов, пунктов таможенного контроля трансграничных переходов, для целей персональной дозиметрии работников предприятий атомной промышленности, а также работников медицинских рентгено-радиологических лабораторий.The utility model relates to detector devices for detecting gamma and neutron radiation and can be used to detect radioactive substances and fissile materials during radiation monitoring of territories and individual objects, customs control points for cross-border transitions, for the purpose of personal dosimetry of employees of nuclear industry enterprises, as well as workers medical x-ray radiological laboratories.

Известен сцинтилляционный детектор гамма-излучения (Горн Л.С. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений / Л.С.Горн, Б.И.Хазанов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 232 с.], в котором в качестве сцинтиллятора используют кристалл CsI:Tl в форме цилиндра, а в качестве фотоприемника используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Кристалл CsI:Tl имеет плотность 4,51 г/см³, световыход гамма-сцинтилляций до 0,45 относительного такового для NaI:Tl, максимум спектра свечения при 565 нм, длительность сцинтилляций 450 нс. Однако недостатками такого сцинтилляционного детектора являются невысокий уровень светосбора сцинтилляций из-за цилиндрической формы кристалла, а также большие габариты и вес ФЭУ. Кроме того, известный сцинтилляционный детектор не может наряду с гамма-излучением одновременно регистрировать нейтронное излучение.Known scintillation detector of gamma radiation (Gorn L.S. Modern instruments for measuring ionizing radiation / L.S. Horn, B.I. Khazanov. M .: Energoatomizdat, 1989. 232 S.], in which a crystal is used as a scintillator CsI: Tl in the form of a cylinder, and a photoelectron multiplier (PMT) is used as a photodetector. The CsI: Tl crystal has a density of 4.51 g / cm ³ , the light output of gamma scintillations is up to 0.45 relative to that of NaI: Tl, the maximum emission spectrum at 565 nm, the duration of scintillations is 450 ns, however, the disadvantages of such scintillation detectors are a low level of scintillation light collection due to the cylindrical shape of the crystal, as well as the large size and weight of the PMT. In addition, the known scintillation detector cannot simultaneously detect neutron radiation along with gamma radiation.

Известен сцинтилляционный детектор гамма-излучения (Пат. 3382368 США), включающий сцинтиллятор BaF₂ (плотность 4,88 г/см³) и фотоэлектронный умножитель. Детектор имеет малую длительность сцинтилляций (<50 нс) и поэтому способен работать в условиях высокой загрузки. Однако известный сцинтилляционный детектор имеет целый ряд недостатков. Сцинтилляционный кристалл BaF₂ из-за цилиндрической формы имеет невысокий уровень светосбора гамма-сцинтилляций. Кроме того, максимум спектра свечения BaF₂ лежит в ультрафиолетовой области спектра, λ=220 нм, т.е. кристалл BaF₂ непригоден для работы в режиме фотодиодной регистрации из-за нечувствительности PIN-фотодиодов к ультрафиолетовому свету. Недостатками известного сцинтилляционного детектора на основе BaF₂ являются большие размеры и вес используемого в нем в качестве фотоприемника ФЭУ. К недостаткам известного сцинтилляционного детектора относится также то, что он не может одновременно регистрировать нейтронное и гамма-излучение.Known scintillation detector of gamma radiation (US Pat. 3382368 USA), including a BaF ₂ scintillator (density of 4.88 g / cm ³ ) and a photomultiplier. The detector has a short scintillation time (<50 ns) and is therefore capable of operating under high load conditions. However, the known scintillation detector has a number of disadvantages. Due to its cylindrical shape, the BaF ₂ scintillation crystal has a low level of light collection of gamma scintillations. In addition, the maximum of the luminescence spectrum of BaF ₂ lies in the ultraviolet region of the spectrum, λ = 220 nm, i.e. BaF ₂ crystal is unsuitable for photodiode recording due to the insensitivity of PIN photodiodes to ultraviolet light. The disadvantages of the known scintillation detector based on BaF ₂ are the large size and weight of the PMT used in it as a photodetector. The disadvantages of the known scintillation detector also include the fact that it cannot simultaneously detect neutron and gamma radiation.

Известен сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией (Неорганические сцинтилляционные материалы / Л.В.Викторов, Б.В.Шульгин и др. // Изв. АН СССР. Неорг. мат. 1991. Т.27, №10. С.2005-2029; Установка ЛЗ, ЛЭП (ЦЕРН): препринт / С.Тинг. Л.: ЛИЯФ, 1987. 52 с.; Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992. 2 с.). Известный детектор, используемый в частности в экспериментах в ЦЕРНе на ускорителях коллайдерного типа, содержит в качестве сцинтиллятора кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ и фотодиод в качестве фотоприемного устройства. Детектор имеет световыход сцинтилляций на уровне 0,1 относительно такового для NaI:Tl и длительность свечения, τ=300 мкс. Однако кристалл Bi₄Ge₃O₁₂ нечувствителен к нейтронам, поэтому недостатком известного сцинтилляционного детектора является то, что он не пригоден для одновременной регистрации гамма-излучения и нейтронов.Known scintillation detector with photodiode registration (Inorganic scintillation materials / L.V. Viktorov, B.V. Shulgin and others // Izv. AN SSSR. Inorg. Mat. 1991. V.27, No. 10. S 2005-2029 ; Installation of LZ, Power transmission line (CERN): preprint / S.Ting. L .: Leningrad Institute of Nuclear Physics, 1987. 52 p .; Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Prospectus of SCIONIX Holland, 1992. 2 pp.). The known detector, used in particular in experiments at CERN on collider-type accelerators, contains a Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ crystal and a photodiode as a photodetector as a scintillator. The detector has a scintillation light output of 0.1 relative to that for NaI: Tl and luminescence duration, τ = 300 μs. However, the Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ crystal is insensitive to neutrons, therefore, a disadvantage of the known scintillation detector is that it is not suitable for the simultaneous detection of gamma radiation and neutrons.

Известен сцинтилляционный детектор фирмы SCIONIX Holland (Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Проспект фирмы SCIONIX Holland, 1992. 2 с.) с фотодиодной регистрацией, содержащий сцинтиллятор, фотодиод и блок обработки сигналов, пригодный для обнаружения рентгеновского (>60 кэВ) и гамма-излучения. В детекторе используют кристалл CsI:Tl 10×10×10 мм³, максимум спектра люминесценции которого расположен при 565 нм, что хорошо согласуется со спектральной чувствительностью используемого кремниевого PIN-фотодиода. Однако известный сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией не пригоден для одновременной регистрации гамма-излучения и нейтронов.Known scintillation detector company SCIONIX Holland (Photodiode scintillation detectors. Photodiode Scintillation Detectors SRD-200. Prospectus company SCIONIX Holland, 1992. 2 C.) with photodiode registration, containing a scintillator, photodiode and signal processing unit suitable for detecting x-ray (> 60 keV ) and gamma radiation. The detector uses a CsI crystal: Tl 10 × 10 × 10 mm ³ , the maximum of the luminescence spectrum of which is located at 565 nm, which is in good agreement with the spectral sensitivity of the used silicon PIN photodiode. However, the known photodiode scintillation detector is not suitable for simultaneously detecting gamma radiation and neutrons.

Из всех известных сцинтилляционных детекторов гамма- и нейтронного излучений наиболее близким к заявляемому является устройство на основе шарового сцинтиллятора, обеспечивающего повышенный светосбор (Пат. 2297015 РФ, МПК G01T 1/20 G01T 3/06. Сцинтилляционный детектор / Б.В.Шульгин, В.Ю.Иванов, Т.С.Королева, А.И.Косее, В.Л.Петров, Д.В.Райков, А.Н.Черепанов, А.А.Чудиновских. Заявл. 08.02.2006; опубл. 10.04.2007. Бюл. №10).Of all the known scintillation detectors of gamma and neutron radiation, the closest to the claimed one is a device based on a ball scintillator providing increased light collection (Pat. 2297015 RF, IPC G01T 1/20 G01T 3/06. Scintillation detector / B.V. Shulgin, V .Yu. Ivanov, T.S. Koroleva, A.I. Kosey, V.L. Petrov, D.V. Raikov, A.N. Cherepanov, A.A. Chudinovskikh, Dec. 08.02.2006; publ. 10.04 . 2007. Bull. No. 10).

Известное устройство содержит размещенный в едином корпусе сцинтиллятор, PIN-фотодиод, кабельный канал и блок обработки сигналов, причем сцинтиллятор выполнен в форме шара, состоящего из двух полусфер, находящихся друг с другом в оптическом контакте, а сцинтилляционный детектор дополнительно содержит отражающее покрытие в виде пленки, прилегающей к поверхности полусфер, и второй PIN-фотодиод, установленный к первому PIN-фотодиоду «спина к спине» в центре шарового сцинтиллятора, в котором имеется полость для размещения PIN-фотодиодов и кабельный канал вывода их электрических контактов к блоку обработки сигналов.The known device comprises a scintillator, a PIN photodiode, a cable channel and a signal processing unit located in a single housing, the scintillator being made in the form of a ball consisting of two hemispheres that are in optical contact with each other, and the scintillation detector further comprises a reflective coating in the form of a film adjacent to the surface of the hemispheres, and a second PIN photodiode mounted to the first PIN photodiode "back to back" in the center of the ball scintillator, in which there is a cavity for placing PIN photodiodes and a cable ny channel output their electrical contacts to the signal processing unit.

Однако известное устройство работает либо в режиме регистрация гамма-излучении, либо в режиме регистрации нейтронов. Причем одновременная регистрация и гамма- и нейтронного излучений с помощью известного детектора в принципе невозможна. Действительно, в случае режима регистрации гамма-излучения обе полусферы состоят из гамма-сцинтиллятора CsI:Tl (или Bi₄Ge₃O₁₂, или Lu₂SiO₅:Ce), а в случае режима регистрации нейтронов в качестве сцинтилляционного сенсора используют кристалл стильбена, выполненный в виде двух полусфер. Таким образом, известный шаровой сцинтилляционный детектор не пригоден для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучения.However, the known device operates either in the mode of registration of gamma radiation, or in the mode of registration of neutrons. Moreover, the simultaneous registration of gamma and neutron radiation using a known detector is in principle impossible. Indeed, in the case of the gamma-ray detection mode, both hemispheres consist of a CsI: Tl gamma scintillator (either Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ , or Lu ₂ SiO ₅ : Ce), and in the case of the neutron registration mode, the stilbene crystal is used as a scintillation sensor made in the form of two hemispheres. Thus, the known spherical scintillation detector is not suitable for simultaneous detection of neutron and gamma radiation.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка шарового сцинтилляционного детектора с фотодиодной регистрацией, пригодного для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучений. Эта задача решается за счет того, что предлагаемый сцинтилляционный детектор содержит шаровой сцинтиллятор, состоящий из двух полусферических сцинтилляторов, фотоприемное устройство из двух PIN-фотодиодов, кабельный канал и блок обработки сигналов, причем полусферические сцинтилляторы выполнены из разных сцинтилляционных материалов и образуют два независимых регистратора излучений, первый из которых чувствителен к гамма-излучению, а второй к нейтронному излучению, кабельный канал содержит два кабеля связи, а блок обработки сигналов состоит из двух модулей, причем первый регистратор соединен с первым PIN фотодиодом и подключен через первый кабель связи с первым модулем блока обработки сигналов, а второй регистратор соединен со вторым PIN-фотодиодом и подключен через второй кабель связи ко второму модулю блока обработки сигналов.The objective of the claimed utility model is the development of a spherical scintillation detector with photodiode registration, suitable for simultaneous registration of neutron and gamma radiation. This problem is solved due to the fact that the proposed scintillation detector comprises a ball scintillator consisting of two hemispherical scintillators, a photodetector of two PIN photodiodes, a cable channel and a signal processing unit, the hemispherical scintillators being made of different scintillation materials and form two independent radiation registrars the first of which is sensitive to gamma radiation, and the second to neutron radiation, the cable channel contains two communication cables, and the signal processing unit remains from two modules, the first registrar connected to the first PIN photodiode and connected via the first communication cable to the first module of the signal processing unit, and the second registrar connected to the second PIN photodiode and connected via the second communication cable to the second module of the signal processing unit.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется схемой предлагаемого сцинтилляционного детектора, представленной на Фиг.1. Предлагаемый сцинтилляционный детектор содержит сцинтиллятор в форме шара, состоящий из двух регистраторов в форме полусферических сцинтилляторов: гамма-сцинтиллятора 1 и нейтронного сцинтиллятора 2, не имеющих между собой оптического контакта, содержит отражающее покрытие 3 в виде пленки, нанесенной на поверхность полусфер 1 и 2, а также на их плоские части, фотоприемное устройство в виде двух фотодиодов 4 и 5 размещено в полости 6, расположенной в центре полусфер 1 и 2, в узком полом проеме 7 расположены два кабеля 8 для связи PIN-фотодиодов с блоком обработки сигналов, который состоит из двух модулей, гамма-сцинтиллятор соединен с первым PIN фотодиодом и подключен через первый кабель связи с первым модулем 9 блока обработки сигналов, а нейтронный сцинтиллятор соединен со вторым PIN-фотодиодом и подключен через второй кабель связи ко второму модулю 10 блока обработки сигналов. Все элементы устройства размещены в едином корпусе 11.The essence of the claimed utility model is illustrated by the scheme of the proposed scintillation detector, presented in figure 1. The proposed scintillation detector contains a scintillator in the form of a ball, consisting of two registrars in the form of hemispherical scintillators: a gamma scintillator 1 and a neutron scintillator 2, which do not have optical contact, contains a reflective coating 3 in the form of a film deposited on the surface of hemispheres 1 and 2, as well as on their flat parts, a photodetector in the form of two photodiodes 4 and 5 is placed in a cavity 6 located in the center of hemispheres 1 and 2, in a narrow hollow opening 7 there are two cables 8 for connecting PIN photodiodes to The signal processing window, which consists of two modules, the gamma scintillator is connected to the first PIN photodiode and connected through the first communication cable to the first module 9 of the signal processing unit, and the neutron scintillator is connected to the second PIN photodiode and connected through the second communication cable to the second module 10 signal processing units. All elements of the device are placed in a single housing 11.

Устройство работает в смешанных полях нейтронного и гамма-излучения следующим образом. Для регистрации гамма-излучения применяют полусферический сцинтиллятор на основе одного из неорганических кристаллов CsI-Tl, или Bi₄Ge₃O₁₂, или SrF₂-РЗЭ (с примесью редкоземельных элементов), или в случае, когда требуется высокое энергетическое разрешение при высокой загрузке, применяют быстрый наносекундный сцинтиллятор LaBr₃-Се, энергетическое разрешение которого примерно в 3 раза выше, чем у рекордного по разрешению кристалла NaI-Tl (M.Moszinski et al. NIM 2006. V.A258. P.739-751). Для регистрации нейтронного излучения (одновременно с регистрацией гамма-излучения) служит чувствительный к нейтронам второй полусферический сцинтиллятор на основе стильбена (для регистрации быстрых нейтронов) или ⁶Li-силикатного стекла (для регистрации тепловых нейтронов). Отражающее пленочное покрытие (позиция 3 на Фиг.1) увеличивает светосбор сцинтилляций, поскольку не позволяет световым вспышкам-сцинтилляциям выйти за пределы полусферических сцинтилляторов. Сцинтилляции, возникающие в полусферическом гамма-сцинтилляторе, имеют для выбранных сцинтилляционных материалов CsI-Tl, Bi₄Ge₃O₁₂, SrF₂-РЗЭ, или LaBr₃-Се длину волны излучения в области 480-600 нм и достаточно надежно регистрируются PIN-фотодиодом. Сцинтилляции, возникающие в полусферическом нейтронном сцинтилляторе для выбранных сцинтилляционных материалов стильбена или ⁶Li-силикатного стекла, имеют длину волны излучения в области 390-430 нм и для их надежной регистрации между сцинтиллятором и PIN-фотодиодом устанавливают сместитель спектра, выполненный в виде тонкой пленки или покрытия. Сместитель смещает максимум спектра нейтронных сцинтилляций из синей области спектра в красную, что позволяет надежно регистрировать прошедшие через сместитель спектра световые вспышки-сцинтилляции с помощью PIN-фотодиодов фирмы Hamamatsu.The device operates in mixed fields of neutron and gamma radiation as follows. To register gamma radiation, a hemispherical scintillator based on one of the inorganic crystals CsI-Tl, or Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ , or SrF ₂ REE (with an admixture of rare-earth elements) is used, or in the case when high energy resolution at high load is required , a fast nanosecond scintillator LaBr ₃ -Се is used, the energy resolution of which is about 3 times higher than that of the NaI-Tl crystal, which is the highest resolution (M. Moszinski et al. NIM 2006. V.A258. P.739-751). To detect neutron radiation (simultaneously with detecting gamma radiation), a second hemispherical scintillator based on stilbene (for detecting fast neutrons) or ⁶ Li-silicate glass (for detecting thermal neutrons) is neutron sensitive. The reflective film coating (position 3 in FIG. 1) increases the scintillation light collection, since it does not allow light scintillation flashes to go beyond hemispherical scintillators. The scintillations arising in a hemispherical gamma scintillator have, for the selected scintillation materials, CsI-Tl, Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ , SrF _2- REE, or LaBr ₃ -Се radiation wavelength in the range of 480-600 nm and PIN-codes are quite reliably recorded photodiode. The scintillations arising in a hemispherical neutron scintillator for the selected scintillation materials of stilbene or ⁶ Li-silicate glass have a radiation wavelength in the region of 390-430 nm and a spectrum shifter made in the form of a thin film is installed between the scintillator and the PIN photodiode coverings. The shifter shifts the maximum of the neutron scintillation spectrum from the blue region of the spectrum to the red, which allows reliable detection of light scintillation bursts transmitted through the spectrum shifter using Hamamatsu PIN photodiodes.

Предлагаемое устройство выдает информацию о зарегистрированном гамма- и нейтронном излучении с помощью блока обработки сигналов, состоящего из двух модулей, один из которых обрабатывает сигналы от полусферического гамма-сцинтиллятора, а второй от полусферического нейтронного сцинтиллятора. Нейтронный регистратор работает в счетном режиме. Гамма-регистратор работает как в счетном, так и в спектрометрическом режимах. Спектроскопический режим позволяет получать информацию об энергии регистрируемого гамма-излучения и соответственно о материале источника (изотопе) гамма-излучения. Это является дополнительным преимуществом предлагаемой полезной модели. Таким образом, предлагаемый детектор может одновременно выдавать достаточно полную информацию о смешанном (гамма- и нейтронном) поле излучения.The proposed device provides information about the detected gamma and neutron radiation using a signal processing unit, consisting of two modules, one of which processes signals from a hemispherical gamma scintillator, and the second from a hemispherical neutron scintillator. The neutron recorder operates in counting mode. The gamma recorder operates in both counting and spectrometric modes. The spectroscopic mode allows obtaining information about the energy of the detected gamma radiation and, accordingly, about the material of the source (isotope) of gamma radiation. This is an additional advantage of the proposed utility model. Thus, the proposed detector can simultaneously provide sufficiently complete information about the mixed (gamma and neutron) radiation field.

Предлагаемая полезная модель сцинтилляционного детектора с полусферическим нейтронным сцинтиллятором из ⁶Li-силикатного стекла пригодна не только для регистрации тепловых нейтронов, но и для регистрации быстрых нейтронов. В последнем случае необходимо применение внешнего замедлителя быстрых нейтронов из водородсодержащего вещества, устанавливаемого перед полусферическим нейтронным сцинтиллятором.The proposed utility model of a scintillation detector with a hemispherical neutron scintillator made of ⁶ Li-silicate glass is suitable not only for detecting thermal neutrons, but also for detecting fast neutrons. In the latter case, it is necessary to use an external fast neutron moderator from a hydrogen-containing substance, which is installed in front of a hemispherical neutron scintillator.

Claims

A scintillation detector containing a ball scintillator located in a single housing, consisting of two hemispherical scintillators, a photodetector of two PIN photodiodes, a cable channel and a signal processing unit, characterized in that the hemispherical scintillators are made of different scintillation materials and form two independent radiation detectors, the first of which is sensitive to gamma radiation, and the second to neutron radiation, the cable channel contains two communication cables, and the signal processing unit contains OIT of two modules, the first recorder coupled to first PIN photodiode and is connected via a first cable connection to the first module signal registration unit, and the second recorder interfaced with the second PIN-photodiode and is connected via a second cable connection to a second module registration unit signals.