XY детектор

Притежатели на патенти RU 2408902:

Изобретението се отнася до областта на регистриране на йонизиращи лъчения и може да се използва за безразрушителен контрол на материали, продукти и предмети чрез радиографски методи, както и за откриване и идентифициране на опасни материали както с активни, така и с пасивни методи. ТЕХНИЧЕСКИ ДЕЙСТВИЕ: повишена ефективност на регистриране на различни видове йонизиращи лъчения; разширяване на енергийния диапазон на детектираната радиация, увеличаване на чувствителната повърхност на детектора. Техническият резултат се постига чрез факта, че в двукоординатния детектор между слоевете взаимно перпендикулярни полимерни сцинтилиращи влакна, изработени от материал за изместване на спектъра, е разположен с оптичен контакт матричен екран-преобразувател под формата на структура от пчелна пита със светлоотразителни стени и канали, запълнени със светлопрозрачен сцинтилатор, всяко влакно е свързано към фотодетекторно устройство директно или с помощта на оп. тично влакно. 1 з.п. f-ly, 2 ил.

Тези устройства имат ограничения за размера на чувствителната повърхност, поради факта, че прехвърлянето на оптичното изображение, което се появява в екранния конвертор, се извършва върху входния прозорец на усилвателя на изображението, чийто размер е много по-малък от размера на екрана. Загубата на светлина, която възниква по време на прехвърляне на изображение, е приблизително обратно пропорционална на квадрата на коефициента на намаляване на изображението. Това води до факта, че ефективността на детектора зависи от размера.конвертор екран. При получаване на радиографски изображения, например с помощта на бързи неутрони, ефективната площ на детектора с пластмасов сцинтилатор в момента не надвишава 20 × 20 см. В допълнение, CCD матриците, използвани за оптични изображения, са бавни и обикновено работят в режим на съхранение. Увеличаването на ефективната площ на детектора чрез комбиниране на няколко екрана на преобразувателя в един дизайн води до съответно увеличаване на броя на оптичните, електронно-оптични и електронни устройства и съответно увеличение на цената на цялото устройство. В този случай броят на екраните и другите компоненти на детектора зависи квадратично от чувствителната зона на цялото устройство. Друг недостатък на CCD сцинтилационните детектори е невъзможността да се отстранят неговите електронно-оптични и електронни устройства на безопасно разстояние от радиационния лъч и в резултат на това да се намали техният експлоатационен живот.

Известен е преобразувател на йонизиращо лъчение, направен от плоски елементи, като поне един от елементите е направен под формата на слой прахообразен фосфор. Преобразувателят съдържа елементи за изместване на спектъра под формата на ленти и оптично влакно, в краищата на които са монтирани фотодетектори, върху повърхността на лентата или въведен в състава й се нанася слой от прахообразен фосфор. Български патент за полезен модел № 54438, IPC G01T 3/06, 2006 г.

Недостатъците на аналога са ниската ефективност на производството на протони на отката и, като следствие, ниската ефективност на преобразуване поради факта, че част от обема на преобразувателя е заета от неорганичен прахообразен фосфор.

Известен неутронен детектор, съдържащ влакнест модул, сглобен от слоеве полимерни сцинтилиращи оптични влакна,подредени последователно в две взаимно перпендикулярни посоки, и електронно-оптична система за откриване на оптично лъчение, излизащо от краищата на тези влакна, електронно-оптичната система съдържа фотодетектори. Патент на САЩ No. 4942302, IPC G01T 3/06, 1990 Посоченото устройство има ниска ефективност поради малкия обхват на протоните на отката в полимерните сцинтилиращи влакна; предназначен да открива само бързи неутрони, чиято минимална енергия се определя от напречното сечение на влакното, има ограничения върху размера на чувствителната повърхност, поради необходимостта от сдвояване на крайната повърхност на устройството с фотодетектори и произтичащите от това загуби на светлина.

Известен е неутронен детектор, съдържащ влакнест модул, сглобен от слоеве полимерни сцинтилиращи оптични влакна, подредени последователно в две взаимно перпендикулярни посоки, и електронно-оптична система за откриване на оптично лъчение, излизащо от краищата на тези влакна. Краищата на влакната са разположени в равнините на лицата на влакнестия паралелепипед, образуван от слоевете влакна, а електронно-оптичната система е направена под формата на позиционно-чувствителни фотодетектори, оптично свързани със съответните лица на влакнестия паралелепипед. Диаметърът на влакното е равен на половината от свободния път на протона на отката във влакнестия материал. Електронно-оптичната система съдържа локални подсистеми, в които са въведени полупрозрачни пластини за разклоняване на оптичната мощност към високоскоростни приемници.

Български патент No 2119178, IPC G01T 3/06, 1998 г. Прототип.

Прототипът има ниска ефективност, т.к. не осигурява двукоординатна регистрация на протони на отката с обхват, сравним с напречното сечение на единично влакно, е предназначен заоткриване само на бързи неутрони, чиято минимална енергия се определя от напречното сечение на влакното. Обикновено напречното сечение на влакното е около 1 mm, а като материал се използва полипропилен или полистирол. При използване на полистиролно влакно само неутрони с енергия над 12 MeV започват да нокаутират протони на отката с обхват над 1 mm. При използване на електронно-оптични системи възникват ограничения върху размера на чувствителната повърхност на детектора, поради необходимостта от сдвояване на лицата на влакнестия паралелепипед с чувствителната повърхност на електронно-оптичната система и произтичащите от това загуби на светлина.

Това изобретение елиминира недостатъците на аналозите и прототипа.

Техническият резултат от изобретението е повишаване на ефективността на регистрация на йонизиращи лъчения: топлинни и бързи неутрони, рентгенови и гама лъчи, различни видове заредени частици; разширяване на енергийния диапазон на детектирана радиация, увеличаване на чувствителната повърхност на детектора, намаляване на цената на устройството.

Техническият резултат се постига чрез факта, че в двукоординатния детектор, съдържащ модул от слоеве от полимерни сцинтилиращи оптични влакна, положени последователно в две взаимно перпендикулярни посоки, и електронно-оптична система за детектиране на оптични лъчения, между слоевете от взаимно перпендикулярни полимерни сцинтилиращи влакна, изработени от материал за изместване на спектъра, е разположен матричен екран-преобразувател под формата на структура от пчелна пита със светлоотразителни стени и канали, запълнени със светлопрозрачен сцинтилатор, е инсталиран с оптичен контакт и всяко влакно е свързано към фотодетектор.

Всяко влакно е свързано към фотодетектор с помощта на оптично влакно.

Същността на изобретението е обяснена вфигури 1 и 2.

Фигура 1 схематично показва общ изглед на устройството, където 1 - матричен екран-конвертор, 2 - влакна за изместване на спектъра, 3 - сцинтилационна светкавица, възникнала в една от клетките на матричния екран-конвертор, 4 - светлинен изход към фотодетектори.

Фигура 2 показва вариант на детектор, използващ фотодиоди като фотодетектор, включени в схемата за съвпадение, за да се намали влиянието на собствения им електронен шум, където 1 е матричен екран-преобразувател (изглед от източника), 2 - влакна за спектрално изместване, 5 - фотодетектори (фотодиоди), 6 - аналогови усилватели, 7 - дискриминатори, 8 - вериги за съвпадение.

Матричният екран-преобразувател 1 представлява структура от пчелна пита със светлоотразителни стени и канали, запълнени със светлопрозрачен сцинтилатор. Материалът на сцинтилатора се определя от вида на детектираната радиация. За регистриране на бързи неутрони се използват пластмасови сцинтилатори, например от полистирол или полипропилен; за термични неутрони - пластмасови сцинтилатори с добавки бор-10 или прахови сцинтилатори Li 6 F+ZnS:Ag и B 10 +ZnS:Ag. За откриване на заредени частици: протони, електрони, позитрони, мюони, както и рентгеново и гама лъчение, освен органични сцинтилатори могат да се използват и прозрачни сцинтилатори от неорганични материали, като NaI:Tl, CsI:Tl, LaBr3:Ce LSO:Ce LaCl3:Ce, YAG:Ce, YAP:Ce, BGO и др.

Един пример за преобразувател на матричен екран е оптичен сцинтилатор. Композитните сцинтилатори могат да се използват за ефективна регистрация на различни видове радиация.

Спектроизместващо влакно 2 е пластмасов сцинтилатор с диаметър части от милиметър или повече, покрит сотвън с едно- или двуслойна обвивка, изработена от материали с по-нисък индекс на пречупване на светлината, обикновено полиметилметакрилат. Той служи за улавяне на фотони, дошли до него отвън, повторно излъчване и транспортиране на повторно излъчените фотони до фотодетектори 5, разположени в единия или двата края на влакното.

Влакната за изместване на спектъра 2, директно или с помощта на оптично влакно, се въвеждат в оптичен контакт с фотодетектори 5. Двукоординатни фотоумножители или фотодиоди се използват за откриване на фотони, излизащи от влакната за изместване на спектъра 2.

Устройството работи по следния начин.

Радиацията навлиза в матричния екран-преобразувател 1 и предизвиква сцинтилационна светкавица 3 в една или повече от клетките й. Светлината от сцинтилационната светкавица 3 се разпространява по протежение на клетката(ите) в двете посоки до краищата на матричния екран-конвертор 1, където във всеки край навлиза в едно или повече спектрално изместващи влакна 2. Във всяко от спектрално изместващи влакна 2, което е ударено от светлина от сцинтилационна светкавица 3, светлината първо се абсорбира (с вероятност над 80%) и след това се излъчва отново в подходящия диапазон на дължина на вълната. Повторно излъчената светлина частично (около 5% от общия брой произведени фотони) достига до краищата на влакната 4 и по-нататък до фотодетекторите 5, където се записва.

Координатите X и Y на клетките на матричния екран, в които се е появила сцинтилационната светкавица 3, се определят от броя на PMT клетките или фотодиодите, от които сигналът идва почти едновременно и които са в оптичен контакт с взаимно перпендикулярни влакна за изместване на спектъра, разположени от противоположните страни на преобразувателя на матрицата на екрана 1. Степента на едновременност се определя от дължината на влакната за изместване на спектъра 2 и скоростразпространение на светлината във влакното с изместване на спектъра 2. По този начин изборът на полезни събития се извършва както по време, така и чрез принадлежност към противоположни групи влакна с изместване на спектъра 2. Броят на фотоните, достигащи фотодетектора 5, е около 2 × 10 -3 от общия брой фотони, излъчени по време на сцинтилационната светкавица 3. При използване на фотодетектора 5 само в единия край на влакното с изместване на спектъра 2 , противоположният край на изместващото спектъра влакно 2 може да бъде покрит с отразяващ материал. Това почти удвоява броя на фотоните, попадащи върху този фотодетектор 5. Броят на фотоните, достигащи фотодетектора, за разлика от прототипа, не зависи от площта (обема) на детектора.

Броят на фотодетекторите (в случая на ФЕУ е общият брой на неговите клетки) е пропорционален на периметъра на матричния екран-преобразувател 1, а не на неговата площ или крайна площ, както в случая на прототипа. С чувствителна площ на детектора от 1 m 2, напречно сечение на влакното с изместване на дължината на вълната от 1 mm, са необходими само два двукоординатни PMT от Photonis Planacon, модел 85011-011, всяка от които съдържа 1024 светлочувствителни клетки.

В устройството на фигура 2 фотоните от сцинтилационна светкавица 3, възникнали в една от клетките на матричния екран на преобразувателя 1, незабавно влизат в две съседни спектрално изместващи влакна 2, където се излъчват отново и се транспортират до фотодиоди 5. Сигналът от изхода на един от фотодиодите 5, който дойде първи, след усилване от аналогов усилвател 6 и дискриминация от дискриминатор 7 , влиза във веригата за съвпадение 8 и отваря времевия прозорец. Пристигането на сигнал от втория фотодиод 5 по време на този прозорец предизвиква появата на сигнал на изхода на веригата за съвпадение 8.

Само работата на две устройства наведнъж в определен интервал от време води до регистрациясцинтилационна светкавица 3. Това намалява вероятността от фалшиви аларми от сигнала, причинен от вътрешния електронен шум на фотодиодите 5.

Ефективността на детектора се определя от дебелината на матричния екран-преобразувател 1 и в допълнение към другите физически ограничения, общи за всички детектори, се ограничава само от дължината на затихване на светлината в неговия сцинтилатор (за полимерните сцинтилатори е няколко метра). Ефективността на събиране на светлина е практически независима от размера на детектора до размера, определен от дължината на затихване на светлината в спектрално изместващото се влакно, което обикновено е най-малко 2 м. Изчисленията показват, че в случай на матричен преобразувателен екран 1, изработен от полипропилен, ефективността на детекция за бързи неутрони с енергия от 2 MeV може да бъде 25% и се увеличава с увеличаване на енергията, например до 55% за неутрони с енергия от 8 MeV.

С помощта на оптични влакна фотодетекторите 5 се отстраняват от радиационния сноп и по този начин се осигуряват нормални условия за работа на електронните устройства на детектора. В случай на регистриране на радиация на нивото на естествения фон, препоръчително е фотодетекторите 5 да се охладят, за да се увеличи тяхната чувствителност (намаляване на техния собствен електронен шум).

1. Двукоординатен детектор, съдържащ модул от слоеве от полимерни сцинтилиращи оптични влакна, редуващи се в две взаимно перпендикулярни посоки, и електронно-оптична система за детектиране на оптично лъчение, характеризираща се с това, че между слоевете от взаимно перпендикулярни полимерни сцинтилиращи влакна, изработени от материал за изместване на спектъра, е разположен матричен екран-преобразувател под формата на пчелна пита. конструкция със светлоотразителни стени и канали, изпълнени със сцинтилатор, прозрачен за светлина, е инсталиран с оптичен контакт ивсяко влакно е свързано към фотодетектор.

2. Двукоординатен детектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че всяко влакно е свързано към фотодетектор с помощта на оптично влакно.