СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к области детектирования частиц ионизирующего излучения, в частности к сцинтилляционным детекторам на основе пластмассовых сцинтилляторов, в которых для вывода излучения применяются спектросмещающие волокна, и может быть использовано при создании экономичных крупногабаритных детекторов частиц для исследований по физике высоких энергий, ядерной физике, радиационной медицине и в различных технических приложениях.

Известны конструкции сцинтилляционных детекторов на основе пластмассовых сцинтилляторов с выводом излучения с помощью спектросмещающих волокон, например R. Wojcik et al. Nucl. Instr. and Meth. A 342 (1994) 416-435. Такие детекторы обычно представляют собой сцинтилляционные пластины различной формы с канавками для размещения спектросмещающих (WLS) волокон. Для увеличения оптического сигнала в волокнах последние обычно вклеиваются в канавки оптическими клеями.

Основными недостатками таких детекторов являются следующие:

1. Низкая радиационная стойкость таких детекторов, связанная с тем, что обычно используемые пластмассовые сцинтилляторы на основе полистирола или поливинилтолуола и спектросмещающие волокна на основе полистирола имеют спектры излучения соответственно с максимумами в интервалах 420-430 нм и 480-500 нм, в области которых наблюдается сильная зависимость длины затухания сцинтилляционного света от дозы радиационного излучения (Бреховских В.В., Гладышев В.А., Васильченко В.Г. и др. // ПТЭ. 1992. №2. С.95.).

2. Обычная практика использования для регистрации переизлученного WLS волокнами сцинтилляционного излучения фотоумножителями (ФЭУ) в случаях работы детекторов в сильных, в диапазоне единиц тесла, магнитных полях требует использования вместе с WLS волокнами еще и транспортных оптических волокон для вывода света из области магнитного поля, что усложняет конструкцию детекторов и уменьшает сигналы ФЭУ из-за поглощения света в волокнах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является техническое решение, использованное компанией КУРАРЕЙ, Япония. Увеличение радиационной стойкости сцинтилляторов (сцинтилляционных волокон) было достигнуто благодаря смещению максимума спектра излучения сцинтилляторов в более длинноволновую область спектра (Kuraray official site, 2013. Plastic scintillating Fibers). Смещение максимумов спектров излучения сцинтилляционных волокон за счет использования соответствующих сцинтилляционных добавок от 437 нм к 530 нм позволило существенно увеличить их радиационную стойкость.

Техническим результатом заявляемого изобретения является существенное упрощение технологии изготовления сцинтилляционных детекторов при одновременном улучшении их характеристик.

Сцинтилляционный радиационно-стойкий детектор предназначен для работы в интенсивных радиационных и магнитных полях. Детектор состоит из сцинтилляционной пластины с канавками для размещения WLS волокон, один или оба торца которых пристыкованы к рабочей фоточувствительной поверхности кремниевых ФЭУ. В качестве сцинтиллятора может быть использован также требуемой формы объем, заполненный сцинтилляционными гранулами, через который проходят WLS волокна. Важным моментом является то обстоятельства, что кремниевые ФЭУ совершенно нечувствительны к магнитным полям, что позволяет отказаться от транспортных оптических волокон для вывода фотоприемников из области магнитных полей и, таким образом, упростить конструкцию детектора.

В качестве иллюстрации конструкции детектора на Фиг.1 показаны две проекции части детектора на основе сцинтилляционной пластины с одним рядом спектросмещающих волокон. На фронтальной поверхности сцинтилляционной пластины (4), помещенной в форму со стенками (1), покрытыми отражающим слоем (2), имеются канавки (3) для размещения спектросмещающих волокон (5). Спектросмещающие волокна проходят через канавки (3) и один торец каждого волокна пристыковывается к фоточувствительной поверхности кремниевых ФЭУ (7). Противоположные торцы волокон покрыты зеркально отражающим слоем (6). Расстояние между волокнами и толщина пластины в несколько раз меньше длины затухания сцинтилляционного излучения в пластине (4) в отсутствии канавок на сцинтилляторе.

Заявляемый детектор работает следующим образом: заряженная частица, проходя через толщину сцинтилляционной пластины, возбуждает сцинтилляционное излучение, которое распространяется по рабочему объему пластины и поглощается спектросмещающими волокнами. Поглощенное излучение переизлучается волокнами в более длинноволновом диапазоне и транспортируется ими к кремниевым фотоумножителям, вызывая сигнал на их выходах. Увеличение радиационной стойкости детектора достигается за счет смещения спектров излучения сцинтиллятора и WLS волокон в длинноволновую область, а абсолютная магнитостойкость - за счет нечувствительности кремниевых фотоумножителей к магнитным полям.

На фиг.2 и фиг.3 соответственно представлены зависимости выхода света из полистирольных сцинтилляторов различного типа от полученной дозы ионизирующего излучения (γ-кванты от радиоактивных источников ¹³⁷Cs) и спектры оптического поглощения до и после облучения (Бреховских В.В., Гладышев В.А., Васильченко В.Г. и др. // ПТЭ. 1992. №2. С.95).

На фиг.2 представлены зависимости выхода света I от полученной дозы для различных полистирольных сцинтилляторов:

1, 1′ - соответственно наилучшего и наихудшего образцов литьевых сцинтилляторов,

2, 2′ - соответственно наилучшего и наихудшего образцов блочного полистирольного сцинтиллятора,

3 - блочный полистирольный сцинтиллятор с 3% PPO.

Сравнение зависимостей, приведенных на фиг.2а и фиг.2б, показывает, что спектры пропускания и световыходы сцинтилляторов, изготовленных методом литья под давлением (полистирольные гранулы ПСМ-115) гораздо менее подвержены влиянию облучению, чем сцинтилляторы, изготовленные методом блочной полимеризации. Причины этого, к сожалению, точно не известны, но могут быть связаны с существенно большим содержанием остаточного мономера в блочных сцинтилляторах.

На фиг.3 представлены прозрачности сцинтилляционных пластин до и после облучения:

а - блочный полистирольный сцинтиллятор (1 - до облучения, 2 - после 107 рад, 3 - после 7 дней восстановления, 4 - после 40 дней восстановления) и спектр люминесценции POPOP (5);

б - литьевой сцинтиллятор (1 - до облучения, 2 - после 10⁷ рад, 3 - после 20 дней восстановления) и спектр люминесценции POPOP (4);

в - чистого литьевого полистирола (1 - до облучения, 2 - после 10⁷ рад, 3 - после 20 дней восстановления) и блочного полистирола (4 - до облучения, 5 - после 10⁷ рад, 6 - после 20 дней восстановления).

Из зависимостей, приведенных на фиг.3, следует, что независимо от типа полистирольного сцинтиллятора смещение максимума спектра излучения в область более 550 нм увеличивает прозрачность (длину затухания излучения) облученного образца более чем на порядок величины при полученной дозе гамма излучения в 10 Мрад. Измерения, результаты которых приведены на фиг.2 и фиг.3, были проведены при длине образцов в 10 см, и, если для спектральной области 420-500 нм из приведенных данных следует, что радиационная стойкость литьевых сцинтилляторов не превышает 1,5 Мрад, то для спектральной области свыше 550 нм стойкость существенно превышает 10 Мрад, так как из приведенных зависимостей следует, что прозрачность литьевых сцинтилляторов практически не меняется. WLS волокна также производятся из полистирола, что значительно увеличивает радиационную стойкость волокон в указанной длинноволновой области спектра.