Детектор іонізуючого випромінювання

Реферат: Винахід належить до дозиметрії радіоактивних випромінювань, ядерної фізики, ядерного приладобудування, радіаційної медицини та біології, а також до області екологічного моніторингу. Детектор іонізуючого випромінювання містить напівпровідникові чутливі елементи, призначені для реєстрації -випромінювання, -випромінювання, рентгенівського випромінювання, -випромінювання та нейтронного випромінювання, при цьому детектор включає два напівпровідникових чутливих елементи, один з яких призначений для реєстрації випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання, а другий - для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання, першим по ходу пучка випромінювання розміщений напівпровідниковий чутливий елемент для реєстрації -випромінювання, випромінювання і рентгенівського випромінювання, після якого послідовно по ходу пучка встановлений другий напівпровідниковий чутливий елемент для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання і радіатор з матеріалу з великим перерізом захоплення 238 нейтронів, наприклад, U, при цьому між другим напівпровідниковим чутливим елементом і радіатором встановлений керований затвор. Технічним результатом винаходу є підвищення UA 102903 C2 (12) UA 102903 C2 ефективності реєстрації іонізуючого випромінювання будь-якого виду, зменшення розмірів і ваги, спрощення експлуатації. UA 102903 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до дозиметрії радіоактивних випромінювань, ядерної фізики, ядерного приладобудування, радіаційної медицини та біології, а також до області екологічного моніторингу. Існують різні методи визначення радіоактивності речовин, біопрепаратів, зразків ґрунтів, харчових продуктів і т.д. Їх застосування зазвичай ґрунтується на використанні різних методик і приладів ядерної фізики. Це методики вимірювання радіоактивності речовин за допомогою іонізаційних, газорозрядних, сцинтиляційних, напівпровідникових та інших детекторів, що входять до складу дозиметрів. Однак на практиці часто необхідно роздільно вимірювати всі три види радіоактивності одночасно і однією методикою (наприклад, у разі вивчення наслідків аварій в Чорнобилі, Челябінську-70, на Семипалатинському випробувальному ядерному полігоні та ін.). Особливу увагу слід приділити напівпровідниковим матеріалам, поява яких стала важливою віхою в розвитку експериментальної ядерної фізики. В даний час детектори, що використовують напівпровідникові матеріали у своїй конструкції, займають провідне місце серед приладів, що реєструють випромінювання. Напівпровідникові детектори є аналогами іонізаційних камер. Вони мають досить великі переваги перед іншими типами детекторів, найбільш важливою з яких є висока чутливість. Серед інших переваг напівпровідникових детекторів слід враховувати лінійність в широкому діапазоні енергій, малий час наростання імпульсу, відносну простоту конструкції, невеликі розміри. Застосування напівпровідникових детекторів і систем з них є актуальним, оскільки дає можливість створення більш інформативних і водночас більш простих, довговічних і мобільних пристроїв вимірювання радіоактивності, що ускладнюється у разі застосування громіздких сцинтиляційних і іонізаційних детекторів і малоінформативних газорозрядних детекторів. Однак застосування тільки одного напівпровідникового детектора у складі одного пристрою не дозволяє реєструвати всі види випромінювань, так як він може бути неефективний при реєстрації всіх видів випромінювання одночасно. Наприклад, на сьогоднішній день для вимірів гамма- і нейтронного випромінювання використовуються блоки детектування, в яких поєднані два типи детекторів - сцинтиляційний і газорозрядний лічильники, а для реєстрації бета-частинок найчастіше використовуються лічильники Гейгера-Мюллера. Незважаючи на те, що способи реєстрації іонізуючого випромінювання у всіх зазначених детекторах відносно схожі, конструктивно не вдається реалізувати їх разом в одному універсальному блоці детектування. Тому актуальною є задача створення детектора іонізуючого випромінювання з використанням напівпровідникових матеріалів, конструктивне виконання якого дозволить забезпечити можливість реєстрації всіх видів іонізуючих випромінювань. Відомий напівпровідниковий пристрій, описаний у заявці Японії № 62-28432 (G01T 1/24, А6136/03, G01N23/04), реєструючий різні випромінювання. Однак він не реєструє нейтральне гамма-випромінювання і не використовує спектрометричні та ідентифікаційні властивості системи напівпровідникових детекторів. Крім того, недоліком описаного пристрою є застосування аналогової обробки сигналів від детекторів, а не цифрової, що має набагато більші швидкодію і точність. Найбільш близьким аналогом технічного рішення, що заявляється, є детектор іонізуючого випромінювання, описаний в патенті Японії № 1885431 (опубл. 22.11.1994), що включає напівпровідникові чутливі елементи, призначені для реєстрації -випромінювання, випромінювання, рентгенівського випромінювання, -випромінювання і потоку нейтронів, а реєстрація потоку нейтронів здійснюється шляхом реєстрації одним з напівпровідникових чутливих елементів -випромінювання, що є результатом реакції певного матеріалу, елемент з якого передбачений в конструкції (контакт на одному з напівпровідникових чутливих елементів), з нейтронним випромінюванням. До недоліків описаного технічного рішення можна віднести використання різних матеріалів електродів, а значить, мова йде про бар'єрні контакти, при цьому товщини активних шарів в напівпровіднику досить малі, що призводить до зниження ефективності реєстрації рентгенівського і гамма-випромінювань. До недоліків описаного рішення можна віднести низьку ефективність реєстрації нейтронів, а також те, що при виході з ладу контакту на одному з напівпровідникових чутливих елементів, необхідно проводити заміну як контакту, так і напівпровідникового чутливого елемента, що призводить до подорожчання обслуговування детектора в цілому. В основу винаходу поставлена задача розробити детектор іонізуючого випромінювання з розширеними функціональними можливостями, який за підрахунок свого конструктивного виконання дозволить забезпечити ефективну реєстрацію іонізуючого випромінювання будьякого виду, повну автоматизацію всіх вимірювальних процесів, при цьому розроблений детектор 1 UA 102903 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 іонізуючого випромінювання буде мати невеликі розміри і вагу, буде простий і зручний при експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що розроблений детектор іонізуючого випромінювання включає напівпровідникові чутливі елементи, призначені для реєстрації -випромінювання, випромінювання, рентгенівського випромінювання, -випромінювання та нейтронного випромінювання, при цьому детектор включає два напівпровідникових чутливих елементи, один з яких призначений для реєстрації -випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання, а другий - для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання, першим по ходу пучка випромінювання розміщений напівпровідниковий чутливий елемент для реєстрації -випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання, після якого послідовно по ходу пучка встановлений другий напівпровідниковий чутливий елемент для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання і радіатор з матеріалу з великим 238 перерізом захоплення нейтронів, наприклад, U, при цьому між другим напівпровідниковим чутливим елементом і радіатором встановлений керований затвор. Таке конструктивне виконання, при якому забезпечується можливість реєстрації всіх видів іонізуючого випромінювання, дозволяє розширити функціональні можливості детектора, що заявляється, із забезпеченням повної автоматизації всіх вимірювальних процесів. Детектор іонізуючого випромінювання, що заявляється, включає корпус, в одній зі стінок якого виконано вхідне вікно, що забезпечує проникнення пучка випромінювання всередину корпусу, виконане з можливістю розміщення в ньому змінних фільтрів. Корпус детектора виконаний з алюмінію. Розміщення основних функціональних елементів в корпусі дозволяє забезпечити захист зазначених елементів від зовнішніх впливів, не перешкоджаючи проникненню -випромінювання та нейтронного випромінювання, а також дозволяє забезпечити зручність при експлуатації детектора. Використовуючи набір змінних фільтрів, можна ідентифікувати вид іонізуючого випромінювання в досліджуваному джерелі. Після вибору необхідного фільтра протягом заданого проміжку часу реєструється швидкість підрахунку детектора, яка пропорційна потужності експозиційної дози (ПЕД) рентгенівського випромінювання або щільності потоку - або -частинок. Наприклад, може бути використаний пластиковий фільтр товщиною 0,1-0,2 мм, який повністю поглинає -випромінювання, а також фільтр з алюмінію завтовшки 0,5-1 мм, який повністю поглинає - і -випромінювання. Доцільною є така реалізація технічного рішення, що заявляється, при якому товщина напівпровідникового чутливого елемента для реєстрації -випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання становить від 0,5 до 2 мм, а для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання товщина становить від 3 до 5 мм. Товщина детектуючого елемента може бути підібрана в залежності від коефіцієнта ослаблення різних видів іонізуючого випромінювання. Переважно як напівпровідниковий матеріал чутливого елемента використовують кристали CdZnTe. Зазначений матеріал є ширококутним напівпровідниковим матеріалом, що дозволяє використовувати його в детекторах іонізуючого випромінювання з забезпеченням високої чутливості і високої швидкості підрахунку при температурах, близьких до кімнатних, що обумовлює відсутність необхідності охолодження детектуючих елементів за допомогою рідкого азоту і дозволяє значно мінімізувати розміри і вагу детектора, що заявляється. Також зазначений матеріал відрізняється відносно хорошим співвідношенням сигнал/шум, високою радіаційною стійкістю, що дозволяє забезпечити виробництво детекторів з високим радіаційним ресурсом. Всі зазначені вище переваги дозволяють забезпечити надійність та зручність застосування детектора, що заявляється, в жорстких умовах експлуатації, технологічну та економічну ефективність виробництва і впровадження детектора іонізуючого випромінювання, що заявляється. Іонізуюче випромінювання, проходячи через напівпровідниковий матеріал чутливих елементів детектора, створює в його обсязі електронно-діркові пари (вільні носії електричного заряду), причому кількість цих носіїв пропорційна енергії іонізуючого випромінювання. При подачі напруги на чутливі елементи (на електричні контакти на поверхні елемента) створюється електричне поле, відбувається збір зарядів, а саме, електрони збираються на позитивному потенціалі, а дірки - на негативному. В результаті виникає електричний імпульс, амплітуда якого пропорційна енергії іонізуючого випромінювання. Переважно керований затвор включає пелюстку затвора і електромагніт для управління пелюсткою затвора. як матеріал затвора використаний алюміній. Унаслідок великої проникаючої здатності -випромінювання, тільки воно буде зареєстровано напівпровідниковим чутливим елементом для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання при закритому 2 UA 102903 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 затворі, що захищає його від -частинок, випромінюваних матеріалом радіатора. В даному випадку швидкість підрахунку детектора буде пропорційна потужності експозиційної дози (ПЕД) -випромінювання. Якщо пелюстка затвора перебуває у відкритому положенні, то чутливий елемент буде реєструвати осколки поділу, що виникають в результаті реакції нейтронів з матеріалом радіатора. Енергії осколків поділу знаходяться в інтервалі 40-60 МеВ, тому використання зовнішнього амплітудного дискримінатора дозволяє легко відрізнити сигнал від зазначених осколків поділу від сигналу від фонового -випромінювання. Конструкція детектора іонізуючого випромінювання пояснюються за допомогою креслення, на якому представлений детектор іонізуючого випромінювання, що включає корпус 1, в якому розміщені напівпровідниковий чутливий елемент 2 для реєстрації -випромінювання, випромінювання і рентгенівського випромінювання, напівпровідниковий чутливий елемент 3 для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання, радіатор 4, керований затвор, що включає пелюстку 5 затвора і електромагніт 6 для управління пелюсткою затвора. В одній зі стінок корпусу 1 виконано вхідне вікно 7. Також детектор забезпечений світлодіодом 8 для індикації справності роботи чутливих елементів 2 і 3. На поверхню напівпровідникових чутливих елементів нанесені контакти (не показані). Робота детектора іонізуючого випромінювання здійснюється наступним чином. Для реєстрації потоків -, - і рентгенівського випромінювань у вхідне вікно 7 поміщають пластиковий фільтр товщиною 0,1-0,2 мм, який повністю поглинає -випромінювання. Далі розміщують у вхідному вікні 5 фільтр із алюмінію завтовшки 0,5-1 мм, який повністю поглинає і -випромінювання. Після вибору необхідного фільтра протягом заданого проміжку часу реєструють швидкість підрахунку напівпровідникового чутливого елемента 2, при цьому швидкість підрахунку пропорційна потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання або щільності потоку - і -частинок. У режимі вимірювання -випромінювання пелюстка 5 затвора знаходиться в закритому стані. У випадку, якщо на виході напівпровідникового чутливого елемента 3 реєструють деяку швидкість підрахунку, то досліджуване випромінювання ідентифікують як -випромінювання внаслідок великої проникаючої здатності даного виду іонізуючого випромінювання. Протягом заданого проміжку часу реєструють швидкість підрахунку чутливого елемента 3, яка пропорційна потужності експозиційної дози -випромінювання. Для реєстрації потоку нейтронів пелюстку 5 затвора відкривають за допомогою електромагніта 6 і протягом заданого проміжку часу реєструють швидкість підрахунку напівпровідникового чутливого елемента 3. Спостереження підрахунків в даному випадку свідчить про нейтронну природу реєстрованого випромінювання. Швидкість підрахунку елемента 3 в цьому режимі пропорційна щільності потоку нейтронів. В даному випадку за допомогою чутливого елемента 3 реєструють осколки поділу, що виникають в результаті реакції нейтронів з матеріалом радіатора 4. Осколками поділу є елементи з масовими числами від 71 до 161, наприклад, 139 Ва і 95 Kr. Енергії осколків поділу знаходяться в інтервалі 40-60 МеВ, тому для відокремлення їх від фонового -випромінювання використовують амплітудний дискримінатор. Для перевірки працездатності напівпровідникових чутливих елементів 2 і 3 на їх виходи по черзі підключають вольтметр і подають напругу на світлодіод 8. При нормальній працездатності елементів 2 і 3 відбувається різке падіння їх електроопору в момент засвічення світлодіодом 8. Таким чином, винахід, що заявляється, являє собою детектор іонізуючого випромінювання з розширеними функціональними можливостями, який за підрахунок свого конструктивного виконання дозволяє забезпечити ефективну реєстрацію іонізуючого випромінювання будь-якого виду, повну автоматизацію всіх вимірювальних процесів, при цьому розроблений детектор іонізуючого випромінювання має невеликі розміри і вагу, простий і зручний при експлуатації. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Детектор іонізуючого випромінювання, що містить напівпровідникові чутливі елементи, призначені для реєстрації -випромінювання, -випромінювання, рентгенівського випромінювання, -випромінювання та нейтронного випромінювання, який відрізняється тим, що містить два напівпровідникових чутливих елементи, один з яких призначений для реєстрації -випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання, а другий - для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання, першим по ходу пучка випромінювання розміщений напівпровідниковий чутливий елемент для реєстрації випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання, після якого послідовно 3 UA 102903 C2 5 10 15 по ходу пучка встановлений другий напівпровідниковий чутливий елемент для реєстрації випромінювання та нейтронного випромінювання і радіатор з матеріалу з великим перерізом захоплення нейтронів, при цьому між другим напівпровідниковим чутливим елементом і радіатором встановлений керований затвор. 2. Детектор за п. 1, який відрізняється тим, що містить корпус, в одній зі стінок якого виконано вхідне вікно, що забезпечує проникнення пучка випромінювання всередину корпусу, виконане з можливістю розміщення в ньому змінних фільтрів. 3. Детектор за п. 2, який відрізняється тим, що корпус виконаний з алюмінію. 4. Детектор за п. 1, який відрізняється тим, що товщина напівпровідникового чутливого елемента для реєстрації -випромінювання, -випромінювання і рентгенівського випромінювання становить від 0,5 до 2 мм. 5. Детектор за п. 1, який відрізняється тим, що товщина напівпровідникового чутливого елемента для реєстрації -випромінювання та нейтронного випромінювання становить від 3 до 5 мм. 6. Детектор за п. 1, який відрізняється тим, що як матеріал напівпровідникових чутливих елементів використані кристали CdZnTe. 7. Детектор за п. 1, який відрізняється тим, що керований затвор містить пелюстку затвора і електромагніт для управління пелюсткою затвора. 8. Детектор за п. 7, який відрізняється тим, що як матеріал затвора використаний алюміній. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4