Сцинтиляційний детектор

Предлагаемое изобретение относится к сцинтилляционным детектирующим устройствам и может найти широкое применение при конструировании и изготовлении приборов для регистрации ионизирующих излучений, особенно детекторов-модулей большого объема на основе кристаллов йодидов цезия и натрия. Главными требованиями, предъявляемыми к таким сцинтилляторам, являются высокий световой выход, его однородность вдоль длины детектора. Для чистых (неактивированных) кристаллов основным требованием является высокое соотношение быстрой и медленной компонент высвечивания. Одним из основных факторов, ограничивающих объемы таких детекторов, являются не только технологические сложности выращивания крупногабаритных кристаллов, но и растущие с увеличением размера требования к прозрачности для света собственной люминесценции. Известен сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор на основе монокристалла йодида цезия [Вельский А.Н., Васильев А.Н., Гектин A.B. и др. Препринт ИМK-91-3. -Харьков. 1991]. Наличие следовых концентраций натрия, таллия, карбонат-ионов и других неконтролируемых примесей в кристаллах приводит не только к уменьшению интенсивности быстрого УФ-свечения, но и к появлению длительного свечения в видимой области спектра с характерными временами t >1 мкс Относительный вклад этого медленного свечения зависит не только от концентрации указанных примесей, но и от таких факторов как неометрическая форма и размеры сцинтиллятора. Увеличение среднего пути света сцинтилляций приводит к росту вклада длительной компоненты на фоне уменьшения быстрого УФ-свечения. Это обстоятельство связано с тем, что наличие указанных примесей ухудшает прозрачность в большей степени для ультрафиолетового (быстрого) свечения, чем для видимого (медленного) света. Кроме того, недостатком детектора является низкая устойчивость сцинтилляционных параметров, обусловленная отсутствием защиты сцинтиллятора от -внешней среды и механическим повреждением его поверхности (образование царапин, участков матирования) в процессе эксплуатации. Известен сцинтилляционный детектор [Авторское свидетельство № 1031318, по кл. G 01 Т 1/20, бюл. 47, от 23.12.91], содержащий пластмассовый сцинтиллятор и спектросмещающий элемент, расположенный на боковой поверхности сцинтиллятора и выполненный из раствора в толуоле полиметилметакрилата и 1,5дифенил-тристирол-пиразолина. Наличие спектросмещающего покрытия в существенной мере улучшает такие параметры сцинтиллятора, как световой выход и его равномерность по оси протяженных детекторов. Недостатком данного детектора является низкая эффективность регистрации g-излучения, обусловленная малым значением атомного номера и плотности сцинтиллятора. Кроме того, использование вышеописанного пленочного сместителя спектра в сочетании с щелочно-газоидными кристаллами не обеспечивает существенного увеличения соотношения быстрой компоненты к интенсивности медленной и стабильности сцинтилляционных характеристик детектора, так как полиметилметакрилат обладает сравнительно низкими сцинтилляционными свойствами и требует введения высокой концентрации люминесцентных добавок, что приводит к ухудшению оптических характеристик вследствие возможной кристаллизации люминесцентной добавки в спектросместителе. Кроме того, покрытие, выполненное из раствора в толуоле полиметилметакрилата в контакте с щелочно-галоидным сцинтиллятором обладает низкой устойчивостью оптических свойств, что, в свою очередь, приводит к нестабильности сцинтилляционных характеристик неорганического сцинтиллятора. Известен сцинтилляционный детектор, содержащий сцинтиллятор на основе щелочно-галоидного кристалла и спектросмещающий элемент, расположенный на поверхности кристалла, выполненный из безрастворной композиции на основе кремнийорганического сополимера стирола низкомолекулярного кремнийорганического каучука и органического люминофора, спектр люминесценции которого на 15-50 нм смещен в длинноволновую область по отношению к области свечения сцинтиллятора [Заявка 93111622, кл. G 01 Т 1/20, 10.10.96]. Недостатком данного решения, выбранного в качестве прототипа, является то, что спектросмещающий элемент не обеспечивает существенного увеличения соотношения быстрой компоненты к интенсивности медленной в сцинтилляторах Csl и Nal большого объема и устойчивости сцинтилляционных характеристик, так как выполнен из безрастворной композиции, не обладающей прозрачностью, имеющей значительную толщину и низкую адгезию кповерхности щелочно-галоидного кристалла. Кроме того, в качестве переизлучателя выбран люминофор, спектр люминесценции которого недостаточно смещен в длинноволновую область по отношению к области свечения сцинтиллятора. Например, подобное смещение для кристалла Csl, имеющего максимум люминесценции в диапазоне 300 нм, не приведет к заметному эффекту в связи с недостаточной прозрачностью кристалла в этой области. В основу изобретения поставлена задача изготовления детектора на основе щелочно-галоидного сцинтиллятора, в котором нанесение прозрачного тонкопленочного кремнийорганического спектросмещающего покрытия на его поверхность обеспечивает улучшение однородности светособирания вдоль длины протяженного сцинтиллятора, повышение соотношения быстрой компоненты к интенсивности медленной (в случае нанесения на поверхность неактивированных кристаллов Csl и Nal), устойчивость сцинтилляционных характеристик от воздействия внешних факторов. Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем сцинтиллятор на основе неорганического кристалла и спектросмещающий элемент из кремнийорганической композиции и органического переизлучателя, расположенного на поверхности сцинтиллятора, согласно изобретению, спектросмещающий элемент прозрачен для собственного света и выполнен в оптическом контакте со сцинтиллятором в виде тонкопленочного покрытия из раствора в толуоле фенилсодержащей смолы или комбинации смол, а в качестве переизлучателя содержит люминофор или комбинацию люминофоров, спектр люминесценции которого на 60-120 нм смещен в длинноволновую область по отношению к длине волны поглощенного света сцинтиллятора. Применение слектросмещающего элемента, содержащего люминофор или комбинацию люминофоров, спектр люминесценции которого на 60-120 нм смещен в длинноволновую область по отношению к длине волны поглощенного света сцинтиллятора, позволяет обеспечить высокую эффективность преобразования света сцинтилляций в длинноволновую область. Высокая эффективность преобразования достигается тем, что раствор кремнийорганической смолы, содержащей фенильные группы, обеспечивает эффективную передачу возбуждения на люминофор, не требуя введения большой массы последнего для обеспечения практически полного поглощения света, испущенного сцинтиллятором. В то же время, благодаря низкой концентрации люминофора спектросмещающий элемент является высокопрозрачным для конвертированного света, возникшего в тонкопленочном слое. Интервал смещения 60-120 нм выбран исходя из того, что разница менее 60 нм не позволяет достичь длинноволновой области, где сцинтиллятор прозрачен в достаточной степени. Дальнейшее повышение верхней границы интервала нецелесообразно, так как приводит к увеличению безизлучательных потерь. Применение спектросмещающего элемента, выполненного из раствора фенилсодержащей смолы или комбинации смол, обладающего высокой адгезией к материалу щелочно-галоидного сцинтиллятора, химической инертностью, устойчивостью химических свойств, обеспечивает его защиту от воздействия внешней среды и механического повреждения, тем самым повышая устойчивость сцинтилляционных характеристик детектора. Растворимость пленочного покрытия в толуоле обеспечивает регенерацию спектросмещающего покрытия путем растворения старого и нанесения нового слоя без повреждения поверхности сцинтиллятора. На фиг. 1 представлен сцинтилляционный детектор; на фиг. 2 - результаты измерений. Детектор содержит сцинтиллятор 1 на основе кристалла Csl, спектросмещающий элемент 2, выполненный из раствора в толуоле кремнийорганической смолы, фотоприемник 3. Отражатель света не показан. Принцип работы сцинтилляционного детектора основан на преобразовании проникающего в сцинтиллятор 1 кванта энергии ионизирующего излучения во вспышку света, которая затем попадает на спектросмещающий элемент 2, где происходит дополнительное преобразование коротковолновой компоненты сцинтилляционной вспышки в длинноволновую, которая регистрируется фотоприемником 3. Пример 1. Заготовки сцинтилляторов Csl в форме гексагональных усеченных пирамид высотой 220 мм со стороной нижнего основания 70 мм, стороной верхнего основания 50 мм, полученных после порезки монокристаллической були и обработки на фрезерном станке, полировали со всех сторон на неподвижном диске, обтянутом замшей, с использованием коллоидной суспензии диоксида кремния до зеркального блеска. Таким образом были отполированы все грани шести сцинтилляторов и проведено измерение их светового выхода, а также соотношения быстрой компоненты к интенсивности медленной. Затем в стеклянном стакане тщательно смешивали 33 грамма раствора полиметилфенилсилоксановой смолы (ГОСТ 15081-78) и 67 г толуола. В полученную смесь добавляли 1 г люминофора {2-{4(третбутилфенил)-5-(4-бифенилоксадиазол)]1,3,4} и 0,050 г кумарина (7-диэтиламино-4-метилкумарин). После тщательного перемешивания и растворения люминесцентных добавок приготовленную композицию наносили тонким слоем (10-20 мкм) на все грани, исключая нижнее основание трех пирамид. Одновременно приготовляли состав для изготовления спектросмещающего элемента детекторов, изготовляемых в соответствии с прототипом. Взвешивали 10 г каучука СКТН-М ЕД-А, добавляли 0,26 г органического люминофора 1,3,5-трифенилпиразолина, добавляли 85,94 г каучука СКТНСС-МЕД, тщательно перемешивали. В полученную смесь вводили 3,8 г катализатора N68 и снова перемешивали. Приготовленную композицию заливали в обезжиренные формы. Формы вставляли в фальш-макет из фторопласта соответствующего размера. Излишки массы вместе с воздухом выдавливали через специальное отверстие. Выдерживали композицию в формах в течение 24 часов до полной вулканизации. Затем извлекали отвержденные эластичные оболочки и одевали на отполированные грани сцинтилляторов. Таким образом было изготовлено 3 детектора. Проводили измерения светового выхода и соотношения быстрой компоненты к интенсивности медленной всех шести детекторов. Результаты измерений представлены в таблице. Как видно из таблицы, детекторы, изготовленные в соответствии с предлагаемым изобретением, имеют более высокие значения светового выхода и относительного вклада быстрой компоненты по сравнению с детекторами, изготовленными в соответствии с прототипом. Пример 2. Заготовки сцинтилляторов Csi (ТІ) в форме четырехгранных призм высотой 300 мм, стороной нижнего основания 50 мм, стороной верхнего основания 40 мм, полученные после порезки монокристалли.ческой були и обработки на токарном станке полировали со всех сторон на неподвижном диске, обтянутом замшей с использованием коллоидной смеси диоксида кремния до зеркального блеска. Таким образом было отполировано 4 сцинтиллятора и проведено измерение светового выхода детекторов вдоль оси призмы. Затем изготовляли спектросмещающий элемент для каждого сцинтиллятора в соответствии с прототипом, по описанию, приведенному в примере 1. Проводили измерения распределения светового выхода вдоль оси призм. Удаляли спектросмещающий элемент с поверхности сцинтилляторов. Затем в стеклянный стакан взвешивали 50 г раствора полиметилфенилсилоксановой смолы (ГОСТ 1508,178), добавляли 45 г толуола, тщательно перемешивали, в полученную смесь добавляли 0,1 г би(диметиламинодиметилдистирил-бензола). Смесь тщательно перемешивали до полного растворения люминофора. В полученную смесь добавляли 5 г полиметилфенилсилоксанового полимера МФСН-Б (ТУ 602-862-84). Смесь тщательно перемешивали, после чего наносили тонким слоем толщиной 10-20 мкм на все грани призм, исключая большое основание. Проводили измерения распределения светового выхода вдоль оси всех 4 призм. Результаты измерения, усредненные по 4 призмам, представлены на фиг. 2, где кривая 1 зависимость световыхода (в условных единицах светового выхода, УЕСВ) от расстояния до фотоприемника для детектора, не содержащего спектросмещающего покрытия; 2 - кривая для детектора, изготовленного в соответствии с прототипом; 3 - кривая для детектора, изготовленного в соответствии с предлагаемым изобретением. Как следует из приведенных данных, детектор, изготовленный в соответствии- с прототипом, уступает заявленному по сцинтилляционным параметрам - среднему световому выходу и равномерности светового выхода вдоль оси призмы. Таким образом, нанесение прозрачного тонкопленочного кремнийорганического спектросмещающего покрытия на поверхность протяженного сцинтиллятора обеспечивает улучшение однородности светособирания вдоль его длины.