Комбінований сцинтиляційний детектор

Изобретение относится к детекторам ионизирующих излучений и может быть использовано для раздельной регистрации a- и g-излучений в смешанных полях. Известен композиционный сцинтилляционный детектор [1], содержащий корпус, выходное окно, отражатель и поглощенные в корпус три твердотельных сцинтиллятора. Сцинтиллятор, чувствительный к gизлучению, выполнен на основе NaJ(Te), высотой от 5 до 100 мм, к нему приклеен чувствительный к bизлучению сцинтиллятор на основе полистирола толщиной 3-10 мм. на который нанесена монокристаллическая пленка сцинтиллятора CsJ(Te), толщиной 0,5-5 мкм, регистрирующая a-частицы. Детектор обеспечивает раздельную регистрацию a-, b- и g-излучений с помощью амплитудной дискриминации и разделения по форме импульса. Вместе с тем выбранная толщина пленки CsJ(Te) является недостаточной для регистрации a-частиц. Увеличению толщины пленки препятствует использование в качестве подложки диска из полистирола, не позволяющего нагреть его до температуры, необходимой для получения достаточно прозрачных для собственного излучения пленок CsJ(Te). Ухудшение светового выхода приводит также к потерям в эффективности регистрации a-частиц; кроме того, сцинтиллятор NaJ(Te) указанной толщины не обеспечивает высокой эффективности регистрации gизлучения с энергией, превышающей несколько сотен кэВ. К недостаткам такого детектора следует также отнести, технологические трудности при изготовлении его из-за гигроскопичности и невысокой механической прочности NaJ(Te). Известен составной детектор [2], содержащий корпус, отражатель, выходное окно и находящееся в корпусе два твердотельных сцинтиллятора. Сцинтиллятор CaF2(Eu) в виде диска толщиной 0,1 мм оптически соединен с несцинтиллирующим слоем кварца толщиной 3 мм, который в свою очередь приклеен к сцинтиллятору NaJ(Te), толщиной 25,4 мм. Такой детектор предназначен для совместной и раздельной регистрации a, b и g-излучений с использованием схемы разделения по форме импульса. Слой кварца препятствует прохождению b-излучения к сцинтиляятору NaJ(Te). К недостаткам указанного детектора следует отнести низкую эффективность регистрации a-излучения (для 241Am эффективность регистрации ~35%). Существенным также является вклад счета b-частиц в счет aчастиц (1,5% от 90Sr в счет 210Ро), Так как в этом детекторе в качестве сцинтиллятора для регистрации gизлучения используется NaJ(Te), то есть недостатки следуют из описанного выше аналога [1]. Известен фосвич-детектор [3], состоящий из помещенных в корпус сцинтиллятора BGO в виде цилиндра размерами Æ50,4 х 10мм и сочлененного с ним с помощью тонкого слоя жидкого парафина сцинтиллятора CsJ(Te) в виде цилиндра размерами Æ50,4 х 50,4 мм. Выходное окно, представляющее собой светофильтр, сочленено со сцинтиллятором CsJ(Te) также с помощью тонкого слоя жидкого парафина, боковым отражателем является Аl2О3. Такой детектор применяется в рентгеновской и g-астрономии, для идентификации излучений по форме импульса. Однако такая система не может быть использована для одновременной и раздельной регистрации a- и g-излучений, т. к. из-за большой толщины кристалла будет большой вклад счета g- и b-излучений в счет a-частиц, большим будет фон детектора при a-счете, сравнительно низкое значение светового выхода при регистрации a-излучений. На последнее влияют также потери света на границе и в слое парафина. Невысокой будет эффективность регистрации a-частиц из-за наличия в качестве входного окна детектора фильтров. В качестве прототипа выбран комбинированный детектор [3]. Задачей изобретения является создание комбинированного сцинтилляционного детектора, в котором за счет использования нового материала и толщин составляющих комбинированного детектора, обеспечивалось бы улучшение фоновых характеристик и эффективность регистрации детектора, уменьшение вклада b-излучений в счет a-излучений и увеличение светового выхода, что позволило бы избежать необходимость использования входного и выходного окон и уменьшить потери света при прохождении границ раздела сред сцинтиллятор - выходное окно. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в комбинированном сцинтилляционном детекторе, состоящем из помещенных в корпус с боковым отражателем сцинтилляторов BGO и CsJ(Те), сочлененных между собой посредством несцинтиллирующего прозрачного для света сцинтилляций материала, согласно изобретению, в качестве несцинтиллирующего материала использована лейкосапфировая пластина, имеющая жесткий оптический контакт с BGO и толщиной не менее длины свободного пробега b-частиц фонового излучения с максимальной энергией и не более пяти процентного поглощения g-излучения с минимальной энергией, на которую нанесен сцинтиллятор CsJ(Te) в виде поликристаллической пленки толщиной не менее длины свободного пробега a-частиц с максимальной энергией. Обеспечению цели способствует выбор в качестве несцинтиллирующего материала-пластины лейкосапфира, так как она наиболее удачно в системе детектора выполняет функции подложки, фильтра и световода. Лейкосапфир имеет показатель преломления оптимальный для соединения существенно различающихся по показателю преломления материалов CsJ(Te) и BGO. Жесткий оптический контакт между BGO и лейкосапфиром, совпадение диапазона пропускания света лейкосапфира со спектром высвечивания пленок CsJ(Te), оптимальное значение показателя преломления способствует увеличению светового выхода детектора при возбуждении сцинтилляций a-частицами. Толщина лейкосапфира должна быть не менее длины свободного пробега b-частиц с максимальной энергией и не более 5% поглощения g-излучения с минимальной энергией. Если толщина лейкосапфира будет меньше длины свободного пробега b-частиц, то увеличится вклад фонового b-излучения в регистрируемое g-излучение, если толщина лейкосапфира будет более 5% поглощения g-излучения, то существенными будут потери в эффективности регистрации gизлучения с малой энергией. Использование второго сцинтиллятора в виде поликристаллической пленки CsJ(Te) с одной стороны уменьшает фон детектора при a-счете, а с другой стороны, пленка является диффузным отражателем, что способствует повышению светового выхода при регистрации a- и g-излучений. Нижний предел по толщине лимитируется уменьшением светового выхода из-за неполного поглощения энергии a-частиц, верхний предел ограничен уменьшением светового выхода из-за ухудшения прозрачности пленки и увеличением вклада счета b-излучения в a-счет. В детекторе применены такие конструкционные элементы, которые позволили избежать необходимости использования входного и выходного окон. а это, в свою очередь, привело к тому, что уменьшились потери света при прохождении границ раздела сред сцинтиллятор - выходное окно. Отсутствие входного окна уменьшает потери энергии a-частицами и, следовательно, увеличивает световой выход при их регистрации. На фиг. представлен эскиз предлагаемого детектора; в таблице - сцинтилляционные характеристики предлагаемого детектора в сравнении с аналогичными характеристиками аналога [2] и прототипа [3]. Комбинированный детектор состоит из помещенных в корпус 1 с боковым отражателем 2 сцинтилляторов BGO-3 и CsJ(Te)-4, сочлененных между собой посредством лейкосапфира 5. Работает предлагаемый детектор следующим образом. Смешанное ионизирующее излучение падает на первый сцинтиллятор - пленку CsJ(Te). Так как этот сцинтиллятор имеет максимальную чувствительность к a-излучению и минимальную к g- и фоновому bизлучениям, последние проходят через сцинтиллятор с незначительной эффективностью регистрации. Затем b-излучение поглощается в слое лейкосапфира, а g-излучение поглощается в нем в малой степени (£5%) и регистрируется сцинтиллятором BGO. Жесткое внешнее излучение вклада в регистрацию излучения в тонком сцинтилляторе CsJ(Te) не дает, что уменьшает фон детектора. Защита от мягких составляющих фонового излучения осуществляется амплитудной дискриминацией и использованием схемы разделения по форме импульса. Было изготовлено два детектора по предлагаемому решению. К сцинтиллятору BGO прикладывали пластину лейкосапфира с усилием 0,40 кг/см2, нагревали со скоростью 370 град/ч до температуры на 5°С ниже точки плавления, затем выдерживали при этой температуре в течение 1,5 часа. После этого образец охлаждали со скоростью 200 град/ч до температуры 400°С, а затем - инерционно. Пленку CsJ(Te) наносили на пластину лейкосапфира методом термического испарения в вакууме. Для чего образец размещали в вакуумную камеру, и при достижении вакуума 6,6 × 10-4 Па образец нагревали до температуры 343°К. Сырье CsJ(Te) с концентрацией Те 0,8 мас.% испарялось из лодочки при нагреве ее до температуры 913°К. Размеры полученных комбинированных детекторов; диаметр 50 мм, высота сцинтиллятора BGO - 30 мм, слоя из лейкосапфира - 3 мм, толщина пленки CsJ(Te) - 30 мкм. По прототипу был изготовлен составной детектор размерами; сцинтиллятор BGO Æ40 х 10 мм; сцинтиллятор CsJ(Te) Æ40 X 50,4 мм. Подготовка к измерениям проводилась в соответствии с ГОСТ 17038.0-79 - ГОСТ 17038.7-79. Определялись фон детекторов при a-счете, эффективность регистрации a- и g-излучений, вклад b-счета в aсчет, световой выход при регистрации a- и g-излучений. Применялись радиоизотопные источники; a-частиц - 241 Am; b-частиц - 90Sr, g - излучения - 57Со. Результаты измерений параметров детекторов представлены в таблице. Из таблицы следует, что световой выход детекторов по предлагаемому решению выше, чем у прототипа при регистрации a-частиц на ~ 17%, а g-излучения на ~155%, no сравнению с прототипом уменьшается фон детектора при a-счете в 5 раз. Эффективность детектора при регистрации a-частиц в среднем не ниже 42%, что выше чем у прототипа на 30%, при регистрации g-излучения в среднем не ниже 54%, что на уровне прототипа. Вклад g-излучения в a-счет в среднем уменьшился в 2,6 раза.