Детектор гамма-, рентгенівського випромінювання

1. Детектор гамма-, рентгенівського випромінювання, який виконаний у вигляді сцинтилятора з порошковим наповнювачем та щонайменше одним реєструючим фотодіодом Шотткі, який відрізняється тим, що як сцинтилятор (1) використаний матеріал NaJ(Tl), частки якого (2) завішені в прозорому компаунді або низькоплавкому склі, які мають коефіцієнт оптичного заломлення, близький до коефіцієнта оптичного заломлення матеріалу NaJ(Tl), реєструючий фотодіод Шотткі конструкти C2 2 (19) 1 3 Взагалі реєстрація γ-, Re- випромінювання за допомогою сцинтиляційного детектора має ту особливість, що кожен γ-, Re-квант викликає появу пакету вторинних квантів видимого світла, причому кількість вторинних квантів визначається формулою Nc=E(γ-, Re-)/Еc де Nc - кількість породжених квантів видимого світла, Е(γ-, Re-) - енергія γ-, Re- кванта, Ес - енергія породженого кванта. Наприклад, для γ-, Re- кванта з енергією 100кеВ та матеріалу сцинтилятора NaJ(Tl), з енергією породжених квантів 2,7еВ маємо приблизно 37000 породжених квантів, що реєструються за допомогою фото діода. Прийнявши 100% ефективність перетворення, маємо 37000 електроннодіркових пар, що означає появу на збираючому електроді діода заряду Q=37000*e=37000*1,6021892*10-19=5,93*10-15К, де е - заряд електрона. Для середнього часу висвітлення 15нсек. середній струм короткого замикання складатиме І=Q/t=3,95*10-7А. Зважаючи на те, що кількість γ-, Re-квантів для різних потоків випромінювання порівняно невелика (наприклад, для потоків 1*10-5 до 1Р/год. кількість реєстрацій γ-, Re- квантів складає від 10 до 1000000 на кубічний сантиметр, маємо велику скважність генерованих електричних імпульсів, що дає змогу, вимірюючи амплітуди окремих електричних імпульсів, побудувати спектр γ-, Reвипромінювання, що реєструється. Оскільки вихідна ємність діода підключена паралельно до вимірювального ланцюга, вона забирає на себе значну частину сигналу, зменшуючи тим самим ефективність детектора в разі реєстрації потоків γ-, Re-квантів малих енергій. Зменшення ємності діода при зменшенні його площі компенсує втрату енергії, що її отримує діод, тим самим компенсуючи зменшення вихідного сигналу, при чому поперечні розміри сцинтилятора теж можна зменшити. Відомий також детектор, описаний в книзі під редакцією проф. Малюкіна Ю.В. «Диэлектрики и полупроводники в детекторах излучения» - Харків, 2006, стор.257-260. [2], вибраний заявником в якості прототипу. Детектор, як частина лінійки перетворювачів, складається з плоскої основи, на якій змонтовано лінійку кремнієвих фотодіодів. Кожен елементарний фотодіод знаходиться в оптичному контакті з власним сцинтилятором, виконаним з CsJ(Tl). Бокова поверхня сцинтиляторів має дзеркальне покриття, а торцева - дифузійно відображуюче покриття для зменшення втрат вторинних фотонів, породжених іонізуючим випромінюванням. Суттєвим недоліком даного приладу є різке зниження чутливості при надмірному зменшенні товщини сцинтилятора, що ілюструє графік залежності по результатах експерименту з технічним сцинтилятором, наведений в [2], що, як вважають автори даного матеріалу, пов'язано з втратами вторинних фотонів на перевідображення від бокових стінок сцинтилятора. Аналіз даного експери 91577 4 менту (початкова довжина І сцинтилятора становила 10мм, ширина d=const=5мм, висота h змінювалася від 10мм до 0,3мм) показує, що засвічування фотодіода відбувається в основному прямими променями з кутом падіння до площини діода 90±6° (80%). Вказана ефективність має місце при співвідношенні l/h=5 і вважається задовільною. Там же авторами запропонований варіант заміни окремих сцинтиляторів товстим шаром подрібнених часток сцинтиляційного матеріалу. Цей варіант детектора обраний заявником в якості прототипу. Суттєвим недоліком прототипу є розпорошення вторинних фотонів на границях зерен, засвічування сусідніх фотодіодів внаслідок чого погіршується здатність розділення в разі побудови лінійки, що сканує, або матриці формувача зображення. Додатковим спільним недоліком наведених аналогів є те, що для реєстрації використовуються стандартні кремнієві фотодіоди, що мають максимум чутливості в діапазоні 0,9-1,1мкм, що для сучасних сцинтиляторів з довжиною хвилі вторинних фотонів 0,7-0,4мкм дає значну втрату чутливості детектора в цілому. Додатковим недоліком прототипу є застосування в якості сцинтилятора матеріалу CsJ(Tl), що має порівняно великий час післясвічення, що обмежує його застосування в скануючих пристроях, де має значення розділення в часі та громіздка конструкція. Задача - створення пристрою для реєстрації γ, Re - випромінювання, який буде вільний від вказаних недоліків. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що: 1. Маючи на меті конструкційне об'єднання у детекторі конвертора γ-, Re- випромінювання у видиме випромінювання і пристрою його реєстрації, заявник пропонує, згідно Фіг.1, наступну будову пристрою: сцинтилятор, наприклад у формі паралелепіпеду (1), виконаний з подрібнених часток (2) матеріалу NaJ(Tl), що розподілені в об'ємі (залиті легкоплавким склом, або прозорим компаундом (7), що має коефіцієнт заломлення, близький до матеріалу сцинтилятора. Експозиція проводиться зі сторони торця (3). До вихідного торця методом спікання або за допомогою клею прикріплений фотодіод Шотткі (4), виконаний з матеріалу ZnSe, що має ширину забороненої зони Е=2,8еВ., тобто чутливий до вторинного випромінювання даного сцинтилятора. Вибір в якості фоточутливого елемента діода Шотткі продиктований принципово більшою швидкістю реакції приладу порівняно з приладами на базі р-n переходу. Фотодіод за допомогою виводів (5), (6) підключений до подальшої апаратури. 2. Детектор за п.1, який розроблений з метою реєстрації потоків випромінювання зі зниженими енергіями γ-, Re-квантів має ті ж аналоги та прототип та згідно Фіг.2 відрізняється тим, що для зменшення вихідної ємності закріплений фотодіод Шотткі (4) має зменшену висоту та ширину, а з вихідної сторони, приблизно на 1/3 довжини, сцинтилятор має вигляд піраміди (8), що фокусує вто 5 ринне випромінювання до розміру вхідного вікна фотодіода. 3. Детектор за п.1, який розроблений з метою реєстрації вузьких пучків γ-, Re- квантів в складі лінійки, що сканує, має ті ж аналоги та прототип та згідно Фіг.3 відрізняється тим, що фотодіод Шотткі (4) закріплено посередині бокової поверхні сцинтилятора, а ширина з ціллю зменшення ємності фотодіода значно менше довжини сцинтилятора. Оптимальним з точки зору мінімальної ємності фотодіода та задовільної чутливості є співвідношення: h/(l/2)=0,2, та b/(l/2)-0,2, де h - висота, b ширина, l - довжина сцинтилятора, з вибором довжини та ширини фотодіода 0,2 l. 4. Детектор за п.1, 3, який розроблений з метою реєстрації вузьких пучків γ-, Re-квантів в складі лінійки, що сканує, має ті ж аналоги та прототип та згідно Фіг.4 відрізняється тим, що з ціллю реєстрації γ-, Re-квантів низьких енергій, передня та задня поверхні сцинтилятора виконані у вигляді структури (катафоту), що відображує вторинні кванти всередину, а бокові грані вкриті покриттям, що відображує всередину. 5. Детектор за п.1, 2, який розроблений з метою реєстрації потоків випромінювання наднизьких енергій, має ті ж аналоги та прототип та згідно Фіг.5 має кілька, наприклад, 4 тонкоплівкових фотодіодів Шотткі, включених послідовно. 6. Детектор за п. 1, який розроблений з метою реєстрації розсіяних потоків випромінювання, має ті ж аналоги та прототип та згідно Фіг.6 має фотодіод Шотткі, що знаходиться всередині сцинтилятора довільної, наприклад, циліндричної форми, та поверхні, вкриті покриттям, що відображує всередину вторинні кванти і є прозорим для γ-, Reвипромінювання. Перелік графічних матеріалів 1. Фіг.1 представляє схематичну будову пристрою за п.1 з показанням схематичного зображення сцинтилятора та фотодіода Шотткі. 2. Фіг.2 представляє схематичну будову пристрою за п.2, що розроблений з метою реєстрації потоків випромінювання зі зниженими енергіями γ-, Re-квантів з показанням схематичного зображення сцинтилятора з елементом, що фокусує, та зменшеного фотодіода Шотткі. 3. Фіг.3 представляє схематичну будову пристрою за п.3, що розроблений з метою реєстрації вузьких пучків γ-, Re-квантів в складі лінійки, що сканує, з показанням схематичного зображення сцинтилятора та фотодіода Шотткі. 4. Фіг.4 представляє схематичну будову пристрою за п.4, що розроблений з метою реєстрації вузьких пучків γ-, Re-квантів знижених енергій в складі лінійки, що сканує, з показанням схематичного зображення сцинтилятора та фотодіода Шотткі. 5. Фіг.5 представляє схематичну будову пристрою за п.5, який розроблений з метою реєстрації потоків випромінювання наднизьких енергій та має фокусуючу призму та кілька, наприклад, 4 тонкоплівкових фотодіодів Шотткі, включених послідовно. 6. Фіг.6 представляє схематичну будову пристрою за п.6, що розроблений з метою реєстрації розсіяних потоків випромінювання, фотодіод Шот 91577 6 ткі, що знаходиться всередині сцинтилятора довільної, наприклад, циліндричної форми, та поверхні, вкриті покриттям, що відображує всередину вторинні кванти і є прозорим для γ-, Reвипромінювання. Робота заявленого пристрою 1. Падаючі фотони γ-, Re-випромінювання, проходячи через сцинтилятор (1), що складається з зерен активної речовини NaJ(Tl), розподілених в обсязі вибраної форми, збуджують центри сцинтиляції, що випромінюють фотони видимого світла з довжиною хвилі λс, які розповсюджуються у різних напрямах. Частина цих квантів потрапляє на фотодіод Шотткі (4), чутливий до оптичного випромінювання в синій області спектру. Під дією оптичного випромінювання на електродах діода з'являється електричний потенціал, що через виводи (5), (6) потрапляє у вимірювальний пристрій, що не є предметом винаходу. 2. Падаючі фотони γ-, Re-випромінювання, що мають понижену енергію, потрапляють до сцинтилятора подовженої форми, наприклад, паралелепіпеду зі сторони торця (3), збуджують центри сцинтиляції, що випромінюють фотони видимого світла з довжиною хвилі λс, які розповсюджуються у різних напрямах всередині сцинтилятора. Частина фотонів рухаються вздовж сцинтилятора і, потрапивши в призму (8), що одночасно має сцинтиляційні властивості для більшого використання падаючих квантів, фокусуються на поверхні зменшеного фотодіода Шотткі. Завдяки зменшеній площі фотодіода відповідно зменшується його вихідна ємність, що підвищує амплітуду вихідних імпульсів. Таким чином, стає можливою реєстрація γ-, Re-квантів, що породжують зменшені пакети вторинних фотонів. Під дією оптичного випромінювання на електродах діода з'являється електричний потенціал, що через виводи (5), (6) потрапляє у вимірювальний пристрій, що не є предметом винаходу. 3. Падаючі фотони γ-, Re-випромінювання, що розходяться під малим кутом, потрапляють до сцинтилятора подовженої форми зі сторони торця (3), проходять через сцинтилятор, викликаючи появу вторинних фотонів. Частина цих фотонів, від центрів люмінесценції, що знаходяться як до, так і після фотодіода, потрапляє на фотодіод безпосередньо, частина - після відображення від стінок сцинтилятора. Під дією оптичного випромінювання на електродах діода з'являється електричний потенціал, що через виводи (5), (6) потрапляє у вимірювальний пристрій, що не є предметом винаходу. 4. Падаючі фотони γ-, Re - випромінювання що мають знижену енергію та розходяться під малим кутом, потрапляють до сцинтилятора подовженої форми зі сторони торця (3), проходять через сцинтилятор, викликаючи появу вторинних фотонів. Частина цих фотонів від центрів люмінесценції, що знаходяться як до, так і після фотодіода, потрапляє на фотодіод безпосередньо, частина - після відображення від стінок сцинтилятора та катафотів на торцях сцинтилятора. Під дією оптичного випромінювання на електродах діода з'являється електричний потенціал, що через виводи (5), (6) 7 потрапляє у вимірювальний пристрій, що не є предметом винаходу. 5. Падаючі фотони γ-, Re-випромінювання що мають знижену енергію порівняно до квантів, що реєструються пристроєм за п. 4, та розходяться під малим кутом, потрапляють до сцинтилятора подовженої форми зі сторони торця (3) та проходять через сцинтилятор, викликаючи появу вторинних фотонів. Частина фотонів рухаються вздовж сцинтилятора і, потрапивши в призму (8), що одночасно має сцинтиляційні властивості для більшого використання падаючих квантів, фокусуються на поверхні складаного фотоприймача, виконаного з кількох, наприклад, з чотирьох тонкоплівкових фотодіодів Шотткі з застосуванням матеріалу ZnSe. Завдяки зменшеній площі фотодіода відповідно зменшується вихідна ємність фотоприймача, що підвищує амплітуду вихідних ім 91577 8 пульсів. Таким чином, стає можливою реєстрація γ-, Re-квантів, що породжують мінімальні пакети вторинних фотонів. Під дією оптичного випромінювання на електродах діода з'являється електричний потенціал, що через виводи (5), (6) потрапляє у вимірювальний пристрій, який не є предметом винаходу. 6. Падаючі фотони γ-, Re-випромінювання з розсіяних потоків, потрапляють до сцинтилятора, що має збільшений об'єм та зовнішнє покриття, що відображує всередину, прозоре для γ-, Re випромінювання. Всередині сцинтилятора (1), що може мати, наприклад, циліндричну форму знаходиться фотодіод Шотткі (4). Під дією оптичного випромінювання на електродах діода з'являється електричний потенціал, що через виводи (5), (6) потрапляє у вимірювальний пристрій, який не є предметом винаходу. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 91577 10 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601