Патент на изобретение №2354995

(54) ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ПРИЗМАТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений, к области обнаружения источника ионизирующего излучения на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д. Технический результат – повышение эффективности регистрации, расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, повышение эффективности сбора света, возникающего в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы и его транспортировки к фотодиодам. Технический результат достигается тем, что сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней треугольного сечения, на треугольных торцах стержней расположены фотоприемники, стержни установлены в ряд параллельно друг другу, между их вершинами расположен такой же ряд стержней треугольного сечения, параллельно расположены еще два ряда стержней, плоскости смежного дополнительного ряда расположены на плоскостях стержней предыдущего ряда, перпендикулярно указанным рядам стержней треугольного сечения расположены аналогичные четыре ряда стержней с фотоприемниками на торцах. 1 ил.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений, к области обнаружения источника ионизирующего излучения на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.

Известен детектор нейтронов, содержащий волоконный модуль, собранный из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических волокон, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон, электронно-оптическая система содержит фотоприемники. Патент США 4942302, МПК: G01T 3/06, 1990 г.

Указанное устройство имеет низкую эффективность, т.к. не обеспечивает двухкоординатную регистрацию протонов отдачи с пробегом меньше поперечного сечения одиночного волокна, а также имеет ограничения по количеству волокон в слое и числу слоев, накладываемых числом используемых фотоприемников. Устройство имеет ограниченное пространственное разрешение, определяемое сечением волокна.

Известен детектор нейтронов, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, содержащий электронно-оптическую систему регистрации оптического излучения, выходящего из торцов этих волокон.

Торцы волокон расположены в плоскостях граней волоконного параллелепипеда, образуемого слоями волокон, а электронно-оптическая система выполнена в виде позиционно-чувствительных фотоприемников, оптически сопряженных с соответствующими гранями волоконного параллелепипеда. Диаметр волокон равен половине длины свободного пробега протона отдачи в материале волокна. Электронно-оптическая система содержит локальные подсистемы, в которые введены полупрозрачные пластины для ответвления оптической мощности на быстродействующие Приемники. Патент Российской Федерации 2119178, МПК: G01T 3/06, 1998 г.

Детектор нейтронов сложен для реализации, имеет низкую эффективность, низкое пространственное разрешение, предназначен для регистрации быстрых нейтронов, не позволяет идентифицировать излучение и определять направление излучения. Размеры элементов ограничены и представляют собой волокна с поперечным размером не более 1 мм.

Известен многослойный детектор, выполненный в виде блока из слоев полимерных сцинтиллирующих оптических элементов, изготовленных из набора материалов, плотность которых монотонно возрастает от первого ряда к последнему слою, и фотоприемников. Рекламный листок Института физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка, Московская область, 2005 г. «Антитеррористические просвечивающие установки для экспрессного выявления взрывчатых веществ».

Недостатком такого детектора и установки в целом является необходимость получения изображения скрытых предметов при просвечивании рентгеновским излучением конкретных предметов в явочном порядке. Детектор предназначен для регистрации лишь одного типа излучения, а именно рентгеновского, и не может регистрировать нейтронное излучение.

Известен координатно-чувствительный детектор, содержащий блок из водородосодержащих сцинтиллирующих оптических элементов, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники. В детекторе сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней с прямоугольным сечением, на одной из граней каждого стержня выполнены пазы, в пазах размещены сцинтиллирующие волокна, на торцах волокон расположены фотодиоды, фотодиоды обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек. Патент Российской Федерации на полезную модель 54440, МПК: G01T 3/06, 2006 г. Прототип.

Прототип обладает сравнительно низкой технологичностью изготовления детектора (обработка каждого отдельного стержня, выполнение в нем канавок и т.п.) и низким пространственным разрешением, определяемым сечением стержня.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Задачей изобретения является разработка технологичного детектора ионизирующих излучений для визуализации пространственного распределения плотности потока ионизирующих излучений с улучшенными свойствами: повышенной эффективностью и пространственным разрешением, стабильностью, механической прочностью, сроком службы. Разработка детекторов практически любой площади, не требующих высоковольтного питания, специальных помещений и т.п.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации, расширение энергетического диапазона регистрации проникающих излучений и их видов, определение местоположения источника излучения, повышение эффективности сбора света, возникающего в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы, и его транспортировки к фотодиодам.

Технический результат достигается тем, что в двухкоординатном призматическом детекторе ионизирующего излучения, содержащем сцинтиллирующие элементы, выполненные в виде стержней, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, обеспеченные выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, сцинтиллирующие элементы выполнены в виде стержней треугольного сечения, с сечением в виде равностороннего треугольника, на треугольных торцах стержней расположены фотоприемники, стержни установлены в ряд параллельно друг другу, между их вершинами расположен такой же ряд стержней треугольного сечения, с сечением в виде равностороннего треугольника, параллельно расположены еще два ряда стержней, плоскости смежного дополнительного ряда расположены на плоскостях стержней предыдущего ряда, перпендикулярно указанным рядам стержней треугольного сечения расположены аналогичные четыре ряда стержней с фотоприемниками на торцах.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где 1, 2, 3, 4 – смежные стержни треугольного сечения, служащие для определения координаты X; 5, 6, 7, 8 – смежные стержни треугольного сечения, служащие для определения координаты Y, расположенные перпендикулярно стержням 1-4. Кругами обозначены фотодиоды.

Детектор работает следующим образом.

Для вычисления координаты Х используются значения сигналов, зарегистрированных в стержнях, лежащих на траектории движения ионизирующей частицы (см. чертеж) в временном интервале (временном окне), определяемом свойствами сцинтиллятора, характеристиками электроники и энергией частиц. Для пластмассового сцинтиллятора, фотодиодного фотоприемника и релятивистской частицы временное окно может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков наносекунд. На чертеже приведен случай, когда ионизирующая частица вызывает сигналы в стержнях 1, 2, 3, 4. Эти сигналы пропорциональны отрезкам АВ, ВС, CD и DE: N₁=k·AB, N₂=k·BC, N₃=k·CD и N₄=k·DE.

Отрезки АВ, ВС, CD, DE являются проекциями участков траектории частицы в соответствующих смежных стержнях детектора на торцевую поверхность детектора.

Коэффициент пропорциональности k определяется углом между траекторией частицы и торцевой поверхностью детектора и не зависит от энергии частицы и пути, проходимого в детекторе. Это условие справедливо, если ионизационные потери малы по сравнению с энергией частицы. Величины N₁, N₂, N₃, N₄ измеряются количеством фотоэлектронов, рожденных в фотоприемном устройстве (фотодиоде) каждого стержня.

Выберем прямоугольную систему координат X, Y, Z с началом в точке с. Рассмотрим проекцию траектории частицы на плоскость XZ. Для определения координаты х точки С необходимо определить координаты х и z точек В и D (x_B, z_B x_D, z_D), являющихся точками пересечения траектории частицы смежных сторон треугольников abc и acd, а также треугольников cde и cef.

Уравнение траектории записывается как:

(x-x_B)/(x_B-x_D)=(z-z_B)/(z_B-z_D).

В системе координат для плоскости XY z=0, следовательно,

x_C=z_B/(z_В-z_B)·(x_B-x_D)+x_B.

Рассмотрим определение координат x_B, z_B. Выберем систему координат, как это показано на чертеже. Координата Х определяется из решения уравнения прямой, проходящей через точки В и D, которая записывается следующим образом:

где x_B, x_D, z_B, z_D – X и Z координаты точек В и D.

Из подобия треугольников BAA’, BCC’, DCC и DEE следует, что

x_B=(1-N₁/(N₁+N₂))·G/2,

z_B=-N₂/(N₁+N₂)·H,

z_D=N₃/(N₃+N₄)·H.

Подставляя выражения (2) в уравнение (1), с учетом того, что в выбранной системе координат z=0, получаем:

Максимальная ошибка в определении х координаты точки С определяется выражением:

Наихудший случай для определения z_B, x_B, z_D, x_D, когда N₁=N₂=N₃=N₄=N/2 и траектория частицы перпендикулярна плоскости XY. При этом N – количество фотоэлектронов, рожденных в фотоприемном устройстве при прохождении ионизирующей частицей в сцинтилляционной пластине отрезка длиной G.

Выражение (4) можно переписать как:

где I – сигнал, возникающий при прохождении частицей в сцинтилляторе отрезка единичной длины.

Приведем численные оценки стандартных отклонений для стержней из полистирола с углом при вершине 90°, Н=1 см, G/2=1 см и мюонов космического происхождения, с характерной величиной удельных потерь энергии 2 МэВ/см. Предположим, что фотоприемными устройствами являются фотодиоды, занимающие половину площади торцевой поверхности. Мюон в стержнях 1 и 2 проходит путь в 1 см. При этом выделяется 2 МэВ энергии и рождается в общей сложности 20000 фотонов. Для стержней длиной >1 м фотоны, падающие на поверхность стержня вне угла полного внутреннего отражения (УПВО), претерпевают, по меньшей мере, около 100 попаданий на стенки. При коэффициенте отражения при однократном соударении равном 0.95 доля фотонов, дошедших до торца стержня, составит 0.95¹⁰⁰=6×10^-3. Следовательно, фотонами вне УПВО можно пренебречь. УПВО для границы между материалами с оптическими плотностями n₁ (воздух) и n₂ (материал стержня) определяется выражением:

УПВО=arcsin(n₁/n₂).

Доля фотонов, движущихся к каждому из торцов элемента внутри УПВО, определяется формулой (1-n₁/n₂)/2. При n₂=1,62 (полистирол) и n₁=1 (воздух) эта доля составляет 0,2 от общего количества рожденных фотонов. При этом около 4000 фотонов распространяются вдоль оси стержня внутри УПВО к каждому из торцов. Коэффициент отражения при углах меньше УПВО считаем равным единице. Средний путь фотона в полистироле при длине элемента 2 м составляет около 2,5 м. При типичном значении длины ослабления в полистирольном сцинтилляторе равном 3 м на этом пути поток фотонов ослабляется в 2,2 раза. В конечном итоге до каждого из двух торцов стержня дойдет около 1800 фотонов. При условии, что фотодиод занимает около половины площади торца, на него попадает около 900 фотонов. При регистрации фотонов фотодиодом с квантовой эффективностью 0,3 (в лучшем случае 0,8) в фотодиоде образуется N=I=270 фотоэлектронов. Тогда с учетом выражения (4) _х=0,32 мм. Для фотодиодов с квантовой эффективностью 0,8 стандартное отклонение становится равным _x=0,19 мм, а при регистрации фотонов на обоих концах стержней и суммировании сигналов на противоположных концах достигает значения _x=0,14 мм.

Такое же устройство, оси стержней которого расположены перпендикулярно первому устройству, используется для определения второй координаты Y, точность определения которой вычисляется аналогичным образом.

Формула изобретения

Двухкоординатный призматический детектор ионизирующего излучения, содержащий сцинтиллирующие оптические элементы, выполненные в виде стержней, уложенных рядами попеременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и фотоприемники, фотоприемники обеспечены выводами для соединения со схемами регистрации сцинтилляционных вспышек, отличающийся тем, что сцинтиллирующие оптические элементы выполнены в виде стержней треугольного сечения, на треугольных торцах стержней расположены фотоприемники, стержни установлены в ряд параллельно друг другу, между их вершинами расположен такой же ряд стержней треугольного сечения, параллельно расположены еще два ряда стержней, плоскости смежного дополнительного ряда расположены на плоскостях стержней предыдущего ряда, перпендикулярно указанным рядам стержней треугольного сечения расположены аналогичные четыре ряда стержней с фотоприемниками на торцах.

РИСУНКИ