Сцинтиляційний детектор

Винахід має відношення до області реєстрації гамма - квантів (енергією 5 кев - 10 мев) та елементарних часток з використанням сцинтиляциї як перетворення світлового випромінювання ближнього ультрафіолету видимого та інфрачервоного діапазону. Відомі сцинтиляційні детектори, що містять сцинтилятори, хвильоводи и реєстратори світлового випромінювання. У синтиляційному позиційно-чутливому детекторі за авторським свідоцтвом СРСР №1200695 (М. кл. GO 1 ТІ/'202, опуб. 30.11.90 p.) одна площина сцинтиляційного кристала оптично поєднана з входом світловоду, а вихід світловоду оптично поєднаний з входом реєстратора, причому як реєстратор застосовано фотоелектронний множник. Робоча поверхня одного каналу детектора залежить від діаметра фотокатода, який обумовлює робочий (той, що використовується) переріз світловоду, та площі світлозбірного волокна сцинтилятора, через яке світлові потоки сцинтиляції можуть потрапити на вхід світловоду і далі на фотокатод фотоелектронного множника. Чутливість детектора обумовлюється матеріалом, що використовується, та об'ємом сцинтилятора, площиною світлозбірного вікна, оптичними утратами у сцинтиляторі, світловоді та оптичних контактах сцинтиляторсвітловод і світловод-реєстратор, коефіцієнтами підсилення реєстратора. Об'єм сцинтилятора, що використовується, обумовлюється площиною S світлозбірного вікна та довжиною L вільного пробігу фотона сцинтиляції до його згасання у сцинтиляторі через непрозорість та неоднорідність сцинтилятора. V=kLS, де k - коефіцієнт, який ураховує форму сцинтилятора та світлозбірного вікна. У цьому сцинтиляційному детекторі об'єм сцинтилятора, що використовується, і отже його чутливість, обмежені площею реєстратора. Найбільш близьким за сукупністю ознак до пропонованого технічного вирішення є сцинтиляційний детектор за авторським свідоцтвом СРСР №1820347 (М. кл. G01Т 1/20, опубл. 07.06.93). У відомому сцинтиляційному детекторі сцинтилятор і світловід являють собою волоконно-оптичний кабель. Сцинтиляційний світловий імпульс, що виникає у сцинтиляторі, розповсюджується по ньому як по світловоду до входу сві тловода і далі по свідловоду на вхід реєстратора світлового імпульсу. У відомого сцинтиляційного детектора чутливість обмежена вхідною площиною SB волоконно-оптичного кабелю, бо об'єм VC, що використовується, визначається як VС=kLSВ, де k - коефіцієнт, що враховує форму сцинтилятора; L - довжина вільного пробігу фотона сцинтиляції. При діаметрі світловода волоконно-оптичного кабеля dВ p d2 B 4 p d2 VC = k B L 4 В основу винаходу поставлено задачу створити такий сцинтиляційний детектор, у якому співвісне розміщення світловода, який підключено одним з торців до реєстратора випромінювання, усередині світловода-сцинтилятора із забезпеченням оптичного контакту між поверхнею світловода та внутрішньою поверхнею світловодасцинтилятора, виконання останнього з світловідбиваючим зовнішнім покривом, прозорим для випромінювання, що реєструється, дозволило б збільшити об'єм, що використовується, сцинтиляційного детектора, і, таким чином, підвищити його чутливість. Задача, яку поставлено, вирішується так, що у сцинтиляційний детектор, який містить сцинтилятор і світловід, який підключено одним з торців до реєстратора випромінювання, уведені наступні суттєві ознаки, відмінні від прототипу. У сцинтиляційному детекторі, що заявляється, сцинтилятор виконано у вигляді світловоду, всередині якого співвісно розміщено світловід, бокова поверхня і вільний торець якого знаходяться у оптичному контакті з внутрішньою поверхнею світловоду-сцинтилятора, який виконано з світловідбиваючим зовнішнім покривом, прозорим для випромінювання, що реєстр ується, при цьому показник заломлення внутрішнього світловоду більше показника заломлення світловоду-сцинтилятора, товщина якого дорівнює довжині вільного пробігу фотона сцинтиляції. Співвісне розміщення світловоду усередині світловоду-сцинтилятора дозволяє забезпечити оптичний контакт між ними не тільки по торцю світловоду, але й по боковій поверхні, що збільшує об'єм, який використовується, сцинтиляційного детектора, тобто підвищує його чутливість. Виконання світловоду-сцинтилятора з світловідбиваючим покривом, який забезпечує захист від зовнішнього випромінювання, яке не підлягає детектуванню, забезпечує, крім того, відбиття фотонів, що направлені від світловоду, і підвищує е фективність їх виведення через світловід на вхід раєстратора, тобто також підвищує чутливість детектора. На фіг. 1 показана функціональна схема сцинтиляційного детектора, на фіг. 2 - розріз А-А фіг. 1. Сцинтиляційній детектор містить сцинтилятор 1, світловід 2, світловідбиваючий покрив 3 і реєстратор 4. Сцинтилятор 1 виконано у ви гляді світловоду з показником заломлення n 1, діаметром d1 та довжиною l1. По осі світловоду-сцинтилятора 1 розміщено світловід 2 з показником заломлення n 2, діаметром d2 і довжиною l2. Світловід 2 приєднано одним із своїх торців до реєстратора випромінювання 4. Другий торець світловоду 2 та його бокова поверхня, тобто уся поверхня світловоду 2 знаходиться у оптичному контакті з світловодомсцинтилятором 1. Довжини, діаметри та показники заломлення сцинтилятора 1 і світловоду 2 пов'язані співвідношеннями: n2>n1; l1=l2+L; d1=d2+2L, де L - довжина вільного пробігу фотона сцинтиляції у сцинтиляторі 1 (його прозорість у діапазоні довжин хвиль сцинтиляції). Таким чином, сцинтилятор 1 покриває світловід 2 на довжині l2 шаром товщиною L, який дорівнює довжині прозорості матеріалу сцинтилятора 1. SB = Світловідбиваюче покриття 3 забезпечує захист від зовнішнього випромінювання, яке не детектується, мале поглинання гамма-квантів та часток, які детектуються, відбиття фотонів, які направлені від світловоду 2, і підвищує ефективність виведення фотонів через світловід 2 на вхід реєстратора. Сцинтиляційний детектор працює таким чином. Гамма-кванти або частки, які потрапляють у тіло сцинтилятора 1, збуджують сцинтилюючі атоми сцинтилятора 1. Збуджені атоми із затримкою t переходять у основний стан і при цьому випромінюють фотон у діапазоні від ближнього ультрафіолета до інфрачервоної області, який визначається матеріалом сцинтилятора 1. Якщо фотон випромінюється у бік світловоду 2, то він, потрапляючи у світловід 2 по всій його довжині l2 і збоку його торця та розповсюджуючись по світловоду 2, надходить на вхід реєстратора 4. Це забезпечується тим, що світловід 2 має показник заломлення n1 більший показника заломлення n2 сцинтилятора 1. n2>n1 Якщо сцинтиляційний фотон випромінюється у бік світловідбиваючого покриву 3, то він спочатку зазнає відбиття від покриву 3, а потім надходить у світловід 2 і по ньому на вхід реєстратора 4. Розрахуємо об'єм V1, що використовується, сцинтилятора 1 у запропонованому детекторі: V1 » VT + VЦ1 - VЦ2 , де VT = pd 2 2 × L - об'єм, який визначається площею торця світловоду 2. 4 VЦ1 = 2 pd1 × l - об'єм циліндра сцинтилятора 1 разом з світловодом 2 довжиною l. 4 VЦ 2 = p d2 2 × l - об'єм циліндра світловоду 2 до вжиною l; 4 2 pd 2 p( d1 - d 2 ) 2 2 ×L + ×l 4 4 Об'єм, що використовується, сцинтилятора-прототипу при однакових діаметрах світловодів pD 2 V1 » ×L 4 V Тоді об'єм V1, що використовується, детектора, який пропонується у 1 разів більше, ніж у прототипу. V Тоді V1 » V1 d2 - d2 2 » 1+ 1 × l > 1 + 4Ll V L Якщо прийняти l=20 мм, L=2 мм, d=1 мм 3,14 × 1 d1 = d2 + 2L = 5мм V = × 2 » 2мм3 4 3,14(25 - 1) V1 = 2мм3 + × 20 = ( 2 + 18 × 20) » 362мм3 4 V1 362 = = 180 V 2 У данному прикладі об'єм сцинтиляції збільшується у 180 разів.