Сцинтиляційний детектор

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для регистрации и спектрометрии гамма-квантов в ядерном приборостроении. Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является сцинтилляционный детектор, который содержит фотоприемник, сцинтиллятор, отражатель и световод. Для улучшения передачи света сцинтилляций на фотоприемник в сцинтилляционном детекторе используют световоды, например, в виде усеченного конуса, которые служат для передачи света от выходного окна сцинтиллятора к фотоприемнику (фотокатоду ФЭУ). Такие световоды применяются в тех случаях, когда диаметр сцинтиллятора больше рабочего диаметра фотокатода. То есть, такой сцинтилляционный детектор содержит световод, расположенный между выходным окном сцинтиллятора и фотоприемником. Недостатком такого устройства является то, что в этом случае улучшается сбор света только с выходного окна сцинтиллятора на фотоприемник при диаметре сцинтиллятора, большем диапазоне фотокатода. Сбор света с боковой поверхности сцинтиллятора при этом не происходит, что снижает световой выход и энергетическое разрешение детектора. Кроме того, происходят дополнительные потери света на отражение на поверхностях раздела: выходное окно сцинтиллятора - световод-фотоприемник вследствие различия их коэффициентов преломления, что также снижает характеристики детектора. В основу изобретения поставлена задача разработать сцинтилляционный детектор, который позволил бы улучшить сцинтилляционные характеристики детектора, имеющего диаметр сцинтиллятора меньше, чем диаметр фотоприемника. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем фотоприемник, сцинтиллятор, отражатель и световод, согласно изобретению, световод, расположенный между сцинтиллятором и отражателем, выполнен в виде прозрачного для света радиолюминесценции и прилегающего к поверхности сцинтиллятора слоя, толщина которого выбрана из соотношения: 0,1 rс £ t £ r ф - 0,9rс где t - толщина слоя, мм, rс - радиус сцинтиллятора, мм, r ф - радиус рабочей части фотоприемника, мм, а коэффициент преломления вышеуказанного слоя не превышает коэффициента преломления сцинтиллятора. Световод может быть выполнен в виде кварцевой трубки с воздушным зазором у поверхности сцинтиллятора, при этом толщина зазора выбрана из соотношения t = r ф - rс Световод может быть выполнен также из кремнийорганического полимера типа СКТН. Преимуществом заявляемого детектора, по сравнению с прототипом, является то, что основная часть света сцинтилляций через выходное окно попадает непосредственно на фотокатод фотоприемника (без потерь на отражение 15-20% на выходном и входном окнах световода). А тот свет, который вышел через боковую поверхность сцинтиллятора, после минимального количества отражений по световоду также направляется на фотокатод фотоприемника. То есть потери света в заявляемом детекторе меньше и поэтому большая часть его попадает на фотоприемник, что обеспечивает увеличение технического светового выхода и улучшение энергетического разрешения. Толщина световода не должна существенно превышать разности радиусов рабочей части фотоприемника и сцинтиллятора, т.к. в противном случае часть света уже не будет преобразовываться в электрический сигнал, и световой выход, и энергетическое разрешение снижается. Экспериментально установлено, что толщина световода t не должна превышать величины r ф - 0,9 rс. Также экспериментально установлено, что при толщине t этого световода менее 0,1rс усложнение конструкции детектора за счет световода уже не компенсируется улучшением сцинтилляционных характеристик. Коэффициент преломления световода "n" не должен превышать коэффициент преломления сцинтиллятора "nс" (т.е. 1£n£nс). В этом случае число отражений света в таком световоде уменьшается за счет канализации света несоответственно, уменьшаются потери при отражении, т.е. улучшается светособирание и, следовательно, световой выход и энергетическое разрешение. Сущность заявляемого детектора поясняется чертежом. Детектор содержит фотокатод 1 фотоприемника 2 (фотоэлектронный умножитель), сцинтиллятор 3, центрирующее кольцо 4, трубку 5, корпус 6, отражатель 7, световод 8. На фотокатоде 1 (рабочий диаметр Dф = 2rф) фотоэлектронного умножителя 2 помещен (приклеен) сцинтиллятор 3 из монокристалла германата висмута BGO или вольфрамата кадмия CWO (коэффициенты преломления: BGO nс = 2,15; CWO - nс = 2,3) в виде цилиндра с диаметром Dc = 2rс. На верхнюю часть сцинтиллятора 3 плотно насажено центрирующее кольцо 4 из фторопласта. Пространство между трубкой 5, центрирующим кольцом 4, сцинтиллятором 3 и корпусом 6 заполнено отражающим материалом (фторопласт, оксид магния или полимер с наполнителем), что и образует отражатель 7. Световод 8 может быть выполнен следующим образом. На внешней стороне центрирующего кольца насажена тонкая трубка 5 из прозрачного для света радиолюминесценции материала - кварца (n = 1,5), образующая воздушный зазор (n = 1) между сцинтиллятором 3 и стенкой трубки 5. Зазор (прозрачный воздушный слой) в данном случае и является световодом 8. В качестве световода 8 может быть использован и цилиндрический прозрачный слой (который может быть выполнен из кремнийорганического полимера типа СКТН, "n" = 1,45) между боковой поверхностью сцинтиллятора 3 и отражателя 7. Работает детектор следующим образом. Гамма-кванты поглощаются сцинтиллятором 3 и преобразуются в кванты видимого света радиолюминесценции (сцинтилляционная вспышка). Часть света сцинтилляции попадает на фотокатод 1 ФЭУ 2 прямо через выходное окно сцинтиллятора 3, часть - после отражения от верхнего торца или боковой поверхности. Некоторая часть света выходит из сцинтиллятора 3 через боковую поверхность и распространяется по световоду 8 до поверхности фотокатода 1. Световой сигнал (кванты света сцинтилляции), попадая на фотоприемник (фотокатод ФЭУ), преобразуется в последнем в электрический сигнал, который усиливается электронными блоками (усилителями) и затем проходит обработку в анализаторе импульсов (или блоке обработки данных). Заявляемый детектор обеспечивает меньшие потери и лучшее собирание света на фотокатод, чем у прототипа. Это приводит к существенному улучшению сцинтилляционных параметров, что подтверждается испытаниями. Из анализа данных испытаний видно, что заявляемый детектор имеет существенно лучшие световой выход и энергетическое разрешение по сравнению с прототипом (в абсолютных цифрах - на ~ 1,5-2% по световоду выходу для BGO и на ~ 9% для CWO, по энергетическому разрешению, соответственно, на 2,22,3% и на 2%). Относительное улучшение составляет 20-30%.