Сцинтиляційний детектор на основі органічного кристала

Реферат: Сцинтиляційний детектор містить сцинтилятор на основі активованого паратерфенілу, кремнієвий фотоелектронний помножувач та світлозбираючий світловод, який виконаний у вигляді суцільного блока зі сцинтиляційним кристалом. UA 86274 U (12) UA 86274 U UA 86274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується сцинтиляційної техніки й може бути використана для виготовлення компактних детекторів іонізуючих випромінювань на основі органічних кристалів, що призначені для космічної апаратури, зокрема, для реєстрації бета- та нейтронного випромінювання. Поширення ролі сцинтиляційного методу детектування радіації в різних космічних дослідженнях обумовлює підвищені вимоги до сцинтиляційних детекторів на основі органічних кристалів, а саме необхідні високий світловий вихід, чутливість до реєстрації нейтронів і випромінювання; компактність; зменшення розмірів і ваги детекторів; розумна вартість. Відомий сцинтиляційний детектор [Андрющенко Л.А., Волошина Л.И., Власова И.Д., Гордиенко Л.С., Гринев Б.В., Гридин С.С., Тарасов В.А., Шляхтуров В.В. Влияние условий изготовления детекторов на основе поликристаллических сцинтилляторов активированного паратерфенила на их характеристики. Приборы и техника эксперимента. 2012. - № 2. - С. 3643], що містить упакований у корпус сцинтилятор на основі кристала активованого паратерфенілу розмірами Ø15×2 мм і фотоелектронний помножувач (ФЕП) R-1307 фірми Hamamatsu Photonics. Оптичне з'єднання сцинтилятора з вихідним вікном корпусу й фотоприймачем виконано з кремнієорганічного гелю СУРЕЛ СЛ-1. Як матеріал вхідного вікна використано відбивач VM-2000. Недоліком відомого сцинтиляційного детектора є те, що як фотоприймач використаний ФЕП, що має високу чутливість до впливу магнітного поля, вимагає високої напруги живлення, а це збільшує габарити, вагу й вартість детектора в цілому. Відомий сцинтиляційний детектор [пат. RU № 2142147 G01T1/20], що містить сцинтилятор 2 на основі стильбену й кремнієвий РIN-фотодіод Hamamatsu Techical Data Sheer (10×10 mm ). Між сцинтилятором і PIN-фотодіодом розташовано зміщувач спектра у вигляді плівки або у вигляді тонкого сцинтилюючого кристала. Для стильбену як зміщувач спектра використано органічна борвмісна сполука (C5H5N)2B10H12). Наявність оптичного контакту не зазначено. У порівнянні з попереднім аналогом детектор має малі габарити й низьку робочу напругу. Однак фотодіоди мають потребу в спільній роботі з зарядочутливими попередніми підсилювачами, що підвищує рівень завад у системах зчитування, а з економічної точки зору до подорожчання пристрою. Крім того, недоліком даного типу фотоприймачів є ефективна реєстрація ним як напівпровідниковим детектором вторинних гамма-квантів м'яких енергій на рівні десятків кеВ, що знижує чутливість детектора до бета-випромінювання й нейтронів при вирішенні питань виявлення слабких потоків зазначених типів випромінювань. Слабка чутливість фотодіодів у короткохвильовій частині спектра світлового випромінювання обумовлює необхідність застосування зміщувачів спектра. При цьому запропонований зміщувач спектра перетворює синє випромінювання сцинтилятора (1=390 нм) у зелено-жовте (=520-560 нм), а не в червоно-інфрачервоне, що необхідно для забезпечення високого коефіцієнта узгодження зі спектральною чутливістю PIN-фотодіода. Слід також зазначити, що сцинтилятором є стильбен, який не має властивості високого світлового виходу при реєстрації бета-випромінювання. Відомий сцинтиляційний детектор [пат. РФ № 2248588, G01Т1/20], що містить сцинтилятор на основі кристала стильбену, зміщувач спектра, світлозбираючий світловод і кремнієвий PINфотодіод, розміщені в корпус - коліматор. При цьому зміщувач спектра й світловод виконано у вигляді єдиного блока на основі легованих або чистих кристалів фторидов літію або натрію. Сцинтилятор, зміщувач спектра зі світлозбираючим світловодом і фотоприймачем знаходяться в оптичному контакті. У порівнянні з попереднім аналогом завдяки застосуванню світлозбираючого світловода розміри сцинтиляційного кристала, зокрема активна площа робочої грані, що приймає випромінювання, не лімітується розмірами вхідного вікна PIN-фотодіода й може бути на порядок більше, що збільшує чутливість детектора під час при реєстрації нейтронів. Виконання світлозбираючого світловода та зміщувача спектра у вигляді суцільного блока виключає втрати світла на межі світловод-зміщувач спектра, роль якого відіграє тонкий шар (20-70 мкм) кристалів LiF або NaF, насичений F2-центрами. Це збільшує світловий вихід при реєстрації нейтронів. Недоліком відомого сцинтиляційного детектора, як і попереднього аналога, є застосування як фотоприймача PIN-фотодіода, а також стильбену як сцинтилятора. Використання матеріалів світловода й сцинтилятора, що мають різні значення показника переломлення, призводить до погіршення умов світлозбирання, зниженню світлового виходу детектора. Відомий сцинтиляційний детектор для реєстрації бета- і гама-випромінювання [Дудник А. В., Курбатов Е. В., Тарасов В. А., Андрющенко Л. А., Валтонен Э. Определение относительных световыходов сцинтилляционных детекторов с применением вакуумного и твердотельных фотоприемников. Вісник Харківского університету. 2010. №933, сірий, вип. 4/48], що містить 1 UA 86274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 сцинтилятор на основі органічного монокристала активованого n-терфенілу або стильбену 3 розмірами 10×10×10 мм , всі поверхні якого, за винятком вихідного вікна, покриті відбивачем "Tetratex", упакованого в корпус, і кремнієвий ФЕП S10931-050P, що має активну площу 3×3 2 мм . Сцинтилятор і фотоприймач знаходяться в оптичному контакті на основі парафінової олії. У порівнянні з аналогом 1, застосування у цій конструкції детектора кремнієвого ФЕП, що має істотно менші габарити й вагу, стійкість до впливу електромагнітних полів та не потребує високовольтних джерел живлення, забезпечує зниження масогабаритних характеристик і вартості. У порівнянні з аналогами 2 і 3, на відміну від фотодіода, Si-ФЕП, що має високий коефіцієнт внутрішнього посилення, та, як наслідок, не потребує застосування зарядочутливого підсилювача, має більш низький енергетичний еквівалент шуму, що забезпечує більш високу чутливість детектора до реєстрації бета-частинок. Крім того, максимум його спектральної чутливості знаходиться на довжині електромагнітних хвиль 440 нм, що виключає необхідність у конвертуванні короткохвильової частини спектра світлового випромінювання сцинтилятора, що приводить до неминучих втрат світла. Недоліком цього технічного рішення є те, що розміри вихідного вікна сцинтилятора значно перевищують робочу площу фотоприймача. Як наслідок, це призводить до погіршення умов світлозбору й значного зниження чутливості детектора при реєстрації бета-частинок і особливо при реєстрації нейтронів, оскільки нейтронний сцинтилятор принципово не може бути маленьким. Як прототип по кількості загальних ознак нами вибрано останній з наведених аналогів. В основу корисної моделі поставлена задача створення компактного детектора на основі органічного кристала, що має високий світловий вихід і високу чутливість при реєстрації бетачастинок і нейтронів. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що в сцинтиляційному детекторі, що містить сцинтилятор на основі активованого паратерфенілу і кремнієвий фотоелектронний помножувач, відповідно до корисної моделі, він додатково містить світлозбираючий світловод, який виконаний у вигляді суцільного блока зі сцинтиляційним кристалом. Конструкція детектора, що містить сцинтилятор і світлозбираючий світловод, що виконано у вигляді суцільного нероздільного блока на базі того самого кристала, забезпечує підвищення світлового виходу не тільки за рахунок виключення втрат світла на межі сцинтилятор-світловод, але й у самому світловоді, що є тим самим сцинтилятором. Завдяки застосуванню світловоду, розміри сцинтилятора, так само, як і аналога 3, зокрема активна площа, що приймає випромінювання робочої грані, не лімітується розмірами вхідного вікна фотоприймача, і може бути на порядок більше. А це збільшує ефективність реєстрації нейтронів і підвищує чутливість детектора при реєстрації нейтронів і бета-частинок. При цьому наявність світловоду, що на відміну від аналога 3, є продовженням сцинтилятора, призводить до збільшення його площі, що додатково збільшує і його чутливість під час реєстрації нейтронів і бета-частинок. У таблиці представлені сцинтиляційні характеристики детектора на основі монокристала активованого n-терфенілу при реєстрації бета-частинок, виготовленого у відповідності з пропонованою корисною моделлю розмірами 15×21×5 мм. Таблиця Сцинтиляційні характеристики Об'єм сцинтилятора, Світловий вихід, номер Технічне рішення Чутливість, від. од. 3 мм каналу, (від. од.), 207 Ві (Е=482 кеВ) Корисна модель 1500 996 (1,064) 1,48 Прототип 1000 937 (1,0) 1,0 207 Ві (Е=976 кеВ) Корисна модель 1500 2103 (1,075) 1,4 Прототип 1000 1957 (1,0) 1,0 45 Суть корисної моделі представлено на кресленні. Сцинтиляційний детектор містить в собі органічний сцинтилятор 1, світлозбираючий світловод 2, оптично з'єднаний клеєм 3 з фотоприймачем 4. Всі поверхні сцинтилятора, за винятком вихідного вікна, вкрито відбивачем 5. Сцинтилятор 1 і світлозбираючий світловод 2 виготовлено з монокристала активованого nтерфенілу у вигляді суцільного неподільного блока. Як фотоприймач 4 використано кремнієвий 2 UA 86274 U 2 5 10 15 20 25 30 ФЕП S10931-100P з активною робочою площею 3×3 мм , кількістю комірок 900 й розміром однієї комірки 100×100 мкм. Оптичний контакт світлозбираючого світловоду 2, що є продовженням сцинтилятора 1, з вихідним вікном фотоприймача 4 виконано на епоксидному клеї XTR-311. Як відбивач 5 використано дифузійний відбивач Tetratex. Детектор працює наступним чином. На грань сцинтилятора 1, що розташована перпендикулярно фотоприймачу 4, крізь відбивач 5 потрапляє потік іонізуючого випромінювання, що перетворюється у сцинтиляторі у світлові спалахи (сцинтиляції). Оптичне випромінювання поширюється в сцинтиляторі в усі сторони, частина якого, потрапляючи на поверхню відбивача 5, повертається в сцинтилятор. Практично все оптичне випромінювання завдяки світлозбираючому світловоду 2 і оптичному контакту 3 передається до фотоприймача 4, де, в свою чергу, перетворяться в електричний сигнал. У таблиці наведено порівняльні дані сцинтиляційних характеристик детекторів на основі кристалів активованого паратерфенілу, що виготовлені у відповідності з пропонованим технічним рішенням і прототипом. При вимірі сцинтиляційних характеристик як джерело 207 радіоактивних частинок використовувався ізотоп Ві - джерело конверсійних електронів з енергіями 482 кеВ і 976 кеВ. Як видно з таблиці корисна модель забезпечує можливість створення компактного сцинтиляційного детектора на основі кристала паратерфенілу з високим світловим виходом, чутливість якого при реєстрації бета-частинок з енергіями 482 кеВ і 976 кеВ вища ніж у прототипу в 1,48 і в 1,4 рази, відповідно. Збільшення площі зовнішньої поверхні сцинтилятора або його об'єму особливо важливе для підвищення чутливості реєстрації нейтронів. Отже, можливість збільшення площі (об'єму в 1,5 разів і більше) сцинтилятора на основі кристалів паратерфенілу або стильбену за рахунок світлозбираючого світловоду, що виконано у вигляді суцільного блока зі сцинтиляційним кристалом, дозволяє використати корисну модель і для підвищення чутливості при реєстрації нейтронів. Таким чином, технічне рішення, що пропонується, забезпечує можливість виготовлення компактного детектора на основі органічних кристалів, який має високий світловий вихід і високу чутливість для реєстрації нейтронів і бета-частинок. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Сцинтиляційний детектор, що містить сцинтилятор на основі активованого паратерфенілу і кремнієвий фотоелектронний помножувач, який відрізняється тим, що він додатково містить світлозбираючий світловод, який виконаний у вигляді суцільного блока зі сцинтиляційним кристалом. 3 UA 86274 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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