Сцинтиляційний детектор

Реферат: UA 108757 U UA 108757 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі сцинтиляційної техніки та може бути використана для реєстрації та вимірювання характеристик іонізувального випромінювання в енергетичній, медичній галузях та в наукових дослідженнях. Типовий сцинтиляційний детектор складається з фотоелектронного помножувача (ФЕП) та сцинтилятору, який з'єднується з фотокатодом за допомогою оптичного контакту. Товщина оптичного контакту становить 0,1-2 мм. При реєстрації короткопробіжного та низькоенергетичного випромінювання використовують детектори на основі тонких сцинтиляторів, які забезпечують високу ефективність реєстрації та мінімальну чутливість до радіаційного фону. Тонкими сцинтиляторами вважають такі, розмір яких у площині фотокатоду перевищує розмір у перпендикулярному напрямку в 2 і більше разів. Недоліком тонких сцинтиляторів при реєстрації сцинтиляційного світла за допомогою ФЕП є неоднорідність коефіцієнту збору світла по об'єму сцинтилятору та залежність форми розподілення фотонів світла по фотокатоду від координати точки сцинтиляції. Неоднорідність коефіцієнту збору світла по об'єму призводить до залежності амплітуди сигналу від координати точки сцинтиляції. Якщо в різних точках сцинтилятору відбудуться дві сцинтиляції, внаслідок яких буде народжена однакова кількість фотонів, але коефіцієнти збору світла в цих точках відрізняються, то сигнали на виході детектора будуть також різні, що призводить до погіршення енергетичної роздільної здатності сцинтиляційного детектора. Іншим негативним чинником, що має найбільш виражений характер у тонких сцинтиляторах, є неоднорідність розподілень фотонів світла по поверхні фотокатоду і залежність цих розподілень від координати точки сцинтиляції. Оскільки чутливість фотокатоду фотоелектронного помножувача (ФЕП) неоднорідна по поверхні, то сигнал на виході детектора залежить також від розподілення фотонів по поверхні фотокатоду. Неоднорідність таких розподілень та їх залежність від координати точки сцинтиляції має негативний вплив на енергетичну роздільну здатність детектора. Амплітуда сигналу сцинтиляційного детектора прямо пропорційна вірогідності реєстрації світла сцинтиляцій фотоприймачем, яка називається коефіцієнтом збору світла. Усереднене значення коефіцієнту збору світла по об'єму сцинтилятору визначає рівень сигналу на виході детектора та, відповідно, величину співвідношення сигнал/шум, яка має безпосередній вплив на енергетичну роздільну здатність. Для поліпшення енергетичної роздільної здатності в детекторах з тонким сцинтилятором необхідно застосовувати технічні рішення, які будуть забезпечувати високий коефіцієнт збору світла, його однорідність по всьому об'єму сцинтилятору та одночасно однорідний розподіл фотонів світла сцинтиляцій по поверхні фотокатоду. Відомий сцинтиляційний детектор [патент США № 5038042, G01T 1/202], що складається з сцинтилятору, один кінець якого оптично зв'язано з лицьовою поверхнею ФЕП, частина бокової поверхні сцинтилятору вкрита відбиваючим світло матеріалом. Зменшення неоднорідності коефіцієнту збору світла по об'єму сцинтилятору досягається покриттям відбивачем частини бокової поверхні сцинтилятору, що призводить до зниження рівня сигналу детектора та, як наслідок, до погіршення енергетичної роздільної здатності. Недоліком такої конструкції є низький усереднений коефіцієнт збору світла. Відомий сцинтиляційний детектор [заявка США № 2015/0014544, G01T 1/202], який складається з сцинтиляційного кристалу, вкритого відбивачем світла, крім поверхні, яка з'єднується з ФЕП за допомогою оптичного контакту. Недоліком такої конструкції є неоднорідність розподілення фотонів світла по поверхні фотокатоду та залежність цих розподілень від точки сцинтиляції, що здебільшого має значення при використанні тонких сцинтиляторів. Зважаючи на неоднорідність чутливості фотокатоду, це призводить до погіршення енергетичної роздільної здатності. Відомий сцинтиляційний детектор [патент США № 4107534, G01T 1/20], який складається з сцинтиляційного кристалу, поверхня якого, крім вихідного вікна, вкрита відбивачем світла, вихідне вікно з'єднано з ФЕП за допомогою оптичного контакту, а сторона сцинтилятору, яка протилежна до вихідного вікна, має грубо шліфовану поверхню. Недоліком такої конструкції є погіршена енергетична роздільна здатність при реєстрації короткопробіжного випромінювання. Короткопробіжне випромінювання попадає на сцинтиляційний кристал зі сторони, яка протилежна до ФЕП та має грубу шліфовку. Внаслідок грубої шліфовки поверхневий шар сцинтилятору, де переважно відбувається взаємодія короткопробіжного випромінювання, має знижені та неоднорідні сцинтиляційні характеристики, що обумовлені порушеною структурою. Як прототип за кількістю загальних ознак нами вибрано останній з наведених аналогів. 1 UA 108757 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу корисної моделі поставлена задача створення сцинтиляційного детектора з поліпшеною енергетичною роздільною здатністю. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що в сцинтиляційному детекторі, який складається з сцинтиляційного кристалу, поверхня якого, за винятком вихідного вікна, вкрита відбивачем світла, вихідне вікно якого з'єднано з ФЕП за допомогою оптичного контакту, згідно корисної моделі, матеріал оптичного контакту обрано таким чином, щоб добуток показника розсіювання світла матеріалу оптичного контакту та товщини оптичного контакту становив від 4 до 7. Вказаний діапазон добутку товщини оптичного контакту та показника розсіювання світла в ньому від 4 до 7 визначено експериментально і він є оптимальним. Збільшення добутку товщини оптичного контакту та показника розсіювання світла в ньому більше 7 призводить до суттєвого зменшення усередненого коефіцієнту збору світла по об'єму сцинтилятору. Втрати світла обумовлені зростаючою кількістю віддзеркалень від зокрема внутрішніх поверхонь сцинтилятору та оптичного контакту з розсіюванням, в той час як при кожному віддзеркаленні може відбутись поглинання. Зменшення добутку товщини оптичного контакту та показника розсіювання світла в ньому менше за 4 не призводить до суттєвих змін в характері розповсюдження світла, та відповідно до поліпшення енергетичної роздільної здатності, у порівнянні з детектором, в якому оптичний контакт між ФЕП та вихідним вікном виконано прозорим. Використання як оптичного контакту між ФЕП та вихідним вікном тонкого сцинтилятору такого матеріалу, що добуток товщини оптичного контакту та показника розсіювання світла в ньому становить від 4 до 7 дозволяє поліпшити енергетичну роздільну здатність детектора. Сцинтиляційне світло з сцинтилятору попадає на фотокатод прямо від точки сцинтиляції або після низки віддзеркалень. Розсіювання світла в оптичному контакті зменшує частку прямого світла, яка попадає на фотокатод змінюючи траєкторії розповсюдження світла та забезпечуючи повернення його частини назад до сцинтилятору. Відбите від оптичного контакту світло потрапляє на фотокатод після додаткових віддзеркалень, зокрема, від поверхонь сцинтилятору, вкритих відбивачем. Таким чином, розсіювання в оптичному контакті збільшує середню довжину пробігу та кількість віддзеркалень світла сцинтиляцій, яке потім реєструється на фотокатоді. При цьому розподілення світла по фотокатоду стає більш рівномірним порівняно з детектором, в якому оптичний контакт між ФЕП та вихідним вікном сцинтилятору виконано прозорим. В таблиці наведена енергетична роздільна здатність сцинтиляційних детекторів на основі монокристалів CsI:Tl товщиною 5 мм та діаметром 48 мм, які було виготовлено відповідно до прототипу та корисної моделі. На кресленні показано схематичне зображення сцинтиляційного детектора. Сцинтиляційний детектор складається з сцинтилятору 1, всі поверхні якого, окрім вихідної, вкриті відбиваючим світло матеріалом 2; вихідна поверхня сцинтилятору 1 з'єднана з ФЕП 3 за допомогою оптичного контакту 4. Сцинтиляційний детектор, що заявляється, працює наступним чином. Частинка або фотон іонізувального випромінювання після попадання в сцинтилятор може взаємодіяти з його речовиною. В результаті взаємодії, а саме в тій точці матеріалу де вона мала місце, відбувається ізотропне випромінювання сцинтиляційних фотонів. Частина сцинтиляційних фотонів проходить через вихідну поверхню сцинтилятору прямо від точки взаємодії. Інша частина - після низки віддзеркалень від поверхонь сцинтилятору. Після проходження через вихідну поверхню світло потрапляє до матеріалу оптичного контакту. Внаслідок великого показника розсіювання в речовині оптичного контакту напрямок руху фотонів світла змінюється декілька разів. В результаті частина фотонів світла проходить крізь оптичний контакт в напрямку фотокатоду ФЕП, частина повертається назад до сцинтилятору, частина поглинається. Ті фотони, що повернулися назад до сцинтилятору можуть після віддзеркалень знову пройти через вихідне вікно, тим самим повторюючи весь процес. Таким чином, в результаті розсіювання в оптичному контакті збільшується середній шлях фотону від точки сцинтиляції до точки поглинання на фотокатоді ФЕП. Оскільки розсіювання та віддзеркалення сцинтиляційних фотонів має стохастичний характер, то розподілення фотонів по фотокатоду стає більш рівномірним та його форма має меншу залежність від координати точки сцинтиляції. Це зменшує вплив нерівномірності чутливості фотокатоду та поліпшує енергетичну роздільну здатність детектора. Нижче наведено приклад реалізації сцинтиляційного детектора згідно з запропонованою корисною моделлю. Приклад Сцинтиляційний детектор складають з сцинтилятору на основі монокристалу CsI:T1 товщиною 5 мм та діаметром 48 мм. Кристал з'єднують з фотокатодом ФЕП Hamamatsu R6231 2 UA 108757 U -1 01 за допомогою оптичного контакту з показником розсіюванням світла 12,4 мм . Цей оптичний контакт виготовляють з кремній-органічного гелю СУРЕЛ-СЛ1 з додаванням порошку BaSO4 з розміром зерна 0-5 мкм. Товщину оптичного контакту в 0,5 мм забезпечують рівномірною по всій поверхні фотокатоду. 5 Таблиця Детектор Зразок 1, зроблений за прототипом Зразок 2 Зразок 3, що заявляється Зразок 4, що заявляється Зразок 5, що заявляється Зразок 6, що заявляється Зразок 7 10 15 20 25 30 Показник розсіювання світла в оптичному контакті між вихідним -1 вікном та ФЕП, мм Добуток показника розсіювання світла в оптичному контакті та його товщини Енергетична роздільна 137 здатність R, % ( Cs, 662 кеВ) 0,0 0,0 7,0 1,6 0,8 7,0 8.6 4,3 6,9 10,2 5,1 6,9 12,4 6,2 6,6 14 7 6,7 15,6 7,8 7,0 Енергетичну роздільну здатність визначають з використанням сцинтиляційного спектрометра, що включає: зразок сцинтиляційного детектору, блок високої напруги БНВ-30, попередній підсилювач БУС2-94, спектрометричний підсилювач БУС2-95, аналізатор імпульсів АМА-03Ф. Виміряють спектри амплітуд імпульсів при збудженні сцинтилятору гамма137 випромінюванням з енергією 662 кеВ від джерела Cs. З відношення ширини піку повного поглинання на половині його висоти до положення цього піку знаходять енергетичну роздільну здатність. Результати вимірювання енергетичної роздільної здатності цього зразка детектора наведені в Таблиці, Зразок 5. Як видно з Таблиці, використання як оптичного контакту між ФЕП та вихідним вікном тонкого сцинтилятору такого матеріалу, що добуток товщини оптичного контакту та коефіцієнту розсіювання світла в ньому становить від 4 до 7 дозволяє зменшити абсолютну величину енергетичної роздільної здатності в детекторі на 0,1-0,4 % повної ширини на половині висоти піка повного поглинання при збудженні сцинтилятору гамма-випромінюванням з енергією 662 137 кеВ від джерела Cs. Таким чином, заявлена корисна модель дозволяє створювати сцинтиляційні детектори на основі тонких сцинтиляторів з поліпшеною енергетичною роздільною здатністю. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Сцинтиляційний детектор, який складається з сцинтиляційного кристалу, поверхня якого, за винятком вихідного вікна, вкрита відбивачем світла, вихідне вікно якого з'єднано з фотоелектронного помножувача за допомогою оптичного контакту, який відрізняється тим, що матеріал оптичного контакту вибрано таким чином, щоб добуток показника розсіювання світла матеріалу оптичного контакту та товщини оптичного контакту становив від 4 до 7. 3 UA 108757 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4