СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАЗРЕШЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА

Настоящее изобретение относится к области спектрометров ионизирующих излучений, точнее к сцинтилляционным спектрометрам гамма-излучения с неорганическими сцинтилляторами, для которых характерна достаточно сильная зависимость предельно достигаемого энергетического разрешения от размеров применяемого сцинтиллятора.

Типичный сцинтилляционный спектрометр энергий содержит (фиг. 1) неорганический сцинтиллятор, оптически сочлененный с ним фотосенсор (PhS), образующие детектор 1; зарядочувствительный предусилитель 2 или резистор нагрузки 3 и процессор детекторных импульсов 4. Сцинтиллятор служит для преобразования энергии поглощенных в нем гамма-квантов в световые вспышки пропорциональной интенсивности. PhS, в качестве которого чаще всего применяют вакуумный фотоэлектронный умножитель, преобразует световые вспышки в пропорциональные импульсы тока. Зарядочувствительный предусилитель, являющийся по сути интегратором, преобразует импульсы тока фотосенсора в экспоненциальные импульсы напряжения с постоянной времени спада τ_PA≥50µs и временем нарастания T_r, определяемым длительностью импульса тока PhS. Процессор детекторных импульсов выполняет функции усиления; формирования детекторных импульсов с амплитудой, пропорциональной площади импульса тока на аноде фотоумножителя (а значит, и энергии кванта); стабилизации базовой линии спектрометра, инспекции и режекции наложенных во времени сигналов, преобразования амплитуд сформированных импульсов в цифровой код и передачу этих кодов в устройство накопления, обработки и визуализации спектров (обычно это какой-либо персональный компьютер, но может быть и специализированный микропроцессор).

Современные фотоумножители, вакуумные и кремниевые (SiPM), характеризуются высоким коэффициентом усиления G_phe числа образованных в материале фотокатода светом фотоэлектронов (G_phe=10⁵÷5×10⁶). Поэтому принципиальной необходимости применения зарядочувствительного предусилителя, который с детекторами без внутреннего усиления обеспечивает минимизацию вносимых электронным трактом шумов, здесь нет [Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2014 г. 323 с.]. В ряде случаев ограничиваются простой резистивной нагрузкой на аноде РМТ, обычно это 50 Ω для согласования с кабелем [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль. V. 15 (2011). №4. Р. 429-438; Belousov М.Р. et al. Scintillation spectrometer SBL-1 for the x-ray densitometer of radioactive technological solutions. Analytics and Control V. 17 (2013) №1, P. 21-26].

Важнейшими показателями качества сцинтилляционного гамма-спектрометра, определяющими его применимость для решения тех или иных задач, являются энергетическое разрешение (η) и эффективность регистрации γ-излучения (ε). И тот и другой показатели зависят в первую очередь от материала сцинтилляционного кристалла и его размеров.

Типичный аппаратурный, полученный при регистрации сцинтилляционным γ-спектрометром излучения источника, испускающего γ-кванты одной энергии, приведен на фиг. 2.

В этом спектре есть две характерные области. Выделенный штриховкой пик имеет форму, близкую к гауссовой, и обусловлен полным поглощением в сцинтилляторе γ-квантов. Положение на оси энергий центра тяжести этого пика соответствует энергии испускаемых радиоактивным источником γ-квантов. Конечная ширина пика обусловлена флуктуациями числа фотонов света, образованных поглощенными в сцинтилляторе γ-квантами.

Непрерывное распределение слева от пика полного поглощения называют комптоновским континуумом. Этот континуум обусловлен вылетом за пределы сцинтилляционного кристалла части вторичных (комптоновских) γ-квантов. Полное число отсчетов в спектре за время экспозиции соответствует полному числу зарегистрированных γ-квантов, а полное число отсчетов в спектре, деленное на время экспозиции, дает интенсивность регистрации излучения.

Как хорошо известно [Knoll G.F. // Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. 802 p.], при энергии γ-квантов более 1022KeV возможно взаимодействие их с веществом детектора в соответствии с эффектом образования пар. Типичный аппаратурный спектр в этом случае выглядит, как на фиг. 3, где помимо пика полного поглощения присутствуют еще два пика с энергиями, меньшими на 511 и 1022KeV.

Независимо от механизма взаимодействия зарегистрированных γ-квантов с веществом сцинтиллятора (полное поглощение, комптоновское рассеяние или эффект образования пар) сцинтилляции вызываются образующимися при поглощении γ-квантов электронами.

В практике сцинтилляционной спектрометрии хорошо известен феномен ухудшения энергетического разрешения с ростом размеров сцинтилляционного кристалла даже при условии обеспечения полного сбора фотосенсором образуемых излучением фотонов света. Причина кроется в существовании практически для всех сцинтилляторов нежелательной зависимости световыхода (Light Yield - LY) от энергии образующихся электронов. LY имеет размерность [число фотонов света/1MeV поглощенной энергии γ-квантов]. Характер этих зависимостей для ряда популярных сцинтилляторов приведен на фиг. 4 [W. Mengesha et al. Light Yield Nonproportionality of CsI(Tl), CsI(Na) and YAP. IEEE Trans. on Nucl. Sci. V. 45, №3, 1998, р. 456-461]. Из данных фиг. 4 понятно, что LY отнюдь не является константой для данного сцинтиллятора.

В тех случаях, когда γ-кванты поглощаются не сразу, в результате фотоэффекта с передачей всей своей энергии ионизационным электронам, а лишь после комптоновского рассеяния или эффекта образования пар, энергии поглощенных квантов в конечном итоге все-таки передается электронам, но образуются несколько групп электронов со своими энергиями и тогда проявляются зависимости, показанные на фиг. 4. В результате число образованных в сцинтилляторе фотонов света при поглощении строго моноэнергетичных γ-квантов зависит от того, по каким механизмам происходили поглощения. Заметим, что главная составляющая относительного энергетического разрешения, а именно статистическая составляющая, обратно пропорциональна корню квадратному из числа образованных фотонов света. Следовательно, в силу непостоянства LY происходит дополнительное уширение пика полного поглощения. На фиг. 5 [Knoll G.F. // Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. 802 p.] графически показаны сценарии взаимодействия γ-квантов с веществом сцинтиллятора очень больших размеров, когда все вторичные γ-кванты не покидают объем сцинтилляционного кристалла и в конечном итоге передают всю свою энергию электронам, которые, в свою очередь, вызывают образование сцинтилляционных вспышек.

К настоящему времени в мировой литературе, где рассматриваются проблемы создания и применения сцинтилляционных детекторов и спектрометров, не содержится сведений о способах или устройствах, которые бы уменьшали дополнительное уширение пиков аппаратурного спектра, вызванное зависимостью световыхода сцинтилляторов от энергии вторичных электронов и многостадийностью передачи им γ-квантами всей своей (т.е. полной) энергии.

Задачей изобретения является создание способа улучшения энергетического разрешения сцинтилляционного гамма-спектрометра, основанного на том, что в сцинтилляционных кристаллах малых размеров вероятность многостадийной передачи полной энергии γ-квантов вторичным электронам может быть пренебрежимо малой.

Указанная задача решается тем, что гамма-кванты регистрируют сборкой из нескольких оптически изолированных между собой сцинтилляторов с индивидуальными фотосенсорами при этом размеры сцинтилляторов, входящих в сборку, выбирают настолько малыми, чтобы вторичные гамма-кванты не поглощались в данном сцинтилляторе, а преимущественно покидали его объем и детектировались другими, соседними сцинтилляторами, составляющими сборку, причем импульсы, обусловленные однократным взаимодействием гамма-квантов со сцинтилляторами в сборке, используют для формирования аппаратурного спектра, а те, которые возникли одновременно на выходах двух и более фотосенсоров, соответствующих соседним сцинтилляторам, исключают из процесса формирования аппаратурного спектра. Таким образом, создается детектор любого большого объема с разрешающей способностью, соответствующей детекторам малых размеров.

Реализация способа показана на фиг. 6, где приведена одна из возможных структурных схем с детектором 1, содержащим, например, 9 оптически изолированных неорганических сцинтилляционных кристаллов, поименованных "Сцинтиллятор1÷Сцинтиллятор9" с индивидуальными кремниевыми фотосенсорами (SiPS), например кремниевыми фотоумножителями (SiPM). Выход каждого из фотосенсоров соединен со своим входом аналогового сумматора 6- и 9-канальной схемы таймирования (схемы хронирования) сигналов 5. Каждый из элементов таймирования (Т1÷T9) в ответ на входные импульсы от фотосенсоров выдает стандартизованные по длительности короткие логические импульсы, "привязанные" к моменту появления аналоговых входных импульсов. Выходы 9-канальной схемы таймирования соединены с одноименными входами 9-канальной схемы совпадений 7. Логика работы схемы совпадений 7 отличается от стандартной. Сигнал на ее выходе образуется при одновременном появлении импульсов на двух ее и более входах, а не обязательно всех девяти. Выходной сигнал схемы совпадений 7 призван сигнализировать о том, что произошло рассеяние γ-кванта внутри одного из сцинтилляторов, и, соответственно, о необходимости запрета измерения амплитуд всех возникших одновременно импульсов. Одновибратор 8, включенный между выходом схемы совпадений 7 и входом "запрет" стандартного процессора 4 спектрометрических импульсов, необходим для предотвращения преждевременного прихода запрещающего импульса.

Аналоговый сумматор 6 выполняет роль пассивного, т.е. времяинвариантного, коммутатора и может быть выполнен просто на резисторах.

Стандартный процессор детекторных импульсов 4 может ничем не отличаться от применяемых с обычными сцинтилляционными детекторами. Он выполняет функции усиления детекторных импульсов, формирования их с целью увеличения отношения сигнал/шум, стабилизации базовой линии спектрометра, режекции наложенных во времени импульсов, преобразования амплитуд импульсов в цифровой код, формирование аппаратурного спектра и передачи его в персональный или иной компьютер для последующей обработки.

На фиг. 7 показаны две характерные ситуации, иллюстрирующие функционирование спектрометра. Пусть в t=t₁ возник импульс на выходе фотосенсора SiPS1. Поскольку на остальных фотосенсорах сигналов нет, то сигнал запрета не вырабатывается, этот импульс стандартным образом обрабатывается процессором спектрометрических импульсов.

Пусть в t=t₂ сигналы возникают на выходах 5-го и 6-го фотосенсоров например. Это означает, что либо в 5-м, либо в 6-м сцинтилляторе произошло неупругое рассеяние γ-кванта и рассеянный γ-квант был зарегистрирован соседним сцинтиллятором (6-м или 5-м). Схема совпадения срабатывает, одновибратором вырабатывается запрещающий импульс и кодирования суммарного импульса с двух сцинтилляторов не происходит. Аналогичные операции происходят в случае одновременного срабатывания большего числа фотосенсоров.

Возможна более совершенная реализация способа. При относительно небольшом числе сцинтилляционных кристаллов в сборке, как на фиг. 6, вылетающие из ряда кристаллов рассеянные γ-кванты никак не фиксируются. Так для сцинтилляторов №1, 3, 7, 9 возможен вылет через две боковые грани, а для сцинтилляторов №2, 4, 6, 8 - через одну. Эффективность регистрации рассеянных γ-квантов можно значительно увеличить, окружив сборку из неорганических сцинтилляционных кристаллов защитным экраном из пластин дешевого органического сцинтиллятора, снабдив упомянутые сцинтилляционные пластины своими фотосенсорами, подключенными только к схеме совпадений (но не к аналоговому сумматору). При этом пластины из органического сцинтиллятора могут находиться между собой в оптическом контакте, но должны быть оптически изолированными от неорганических сцинтилляторов в сборке. Схема совпадений в этом случае должна иметь на 4 входа больше, т.е. она должна быть 13-входовой. Никакой проблемы это не составляет. Органические сцинтилляторы обладают меньше, чем неорганические, эффективностью регистрации γ-излучения из-за меньших плотности и эффективного порядкового номера Z_eff. В данном их применении это является скорее достоинством, чем недостатком. Дело в том, что защитный органический сцинтиллятор более прозрачен для γ-квантов, приходящих снаружи сцинтилляционной сборки, чем для рассеянных в неорганических сцинтилляторах сборки, поскольку энергия неупруго рассеянных (комптоновских и аннигиляционных) всегда ниже, чем у первичных, а вероятность взаимодействия γ-кванта с легкими веществами тем выше, чем ниже его энергия.

Технический результат применения заявляемого способа улучшения энергетического разрешения сцинтилляционного гамма-спектрометра состоит в том, что снимается противоречие между стремлением к высокой эффективности регистрации γ-излучения, определяемой для данного материала кристалла его размерами, и стремлением к достижению предельно высокой разрешающей способностью, достигаемой со сцинтилляторами малых размеров. Указанное противоречие снимается путем создания детектора требуемого объема в виде матрицы из оптически изолированных сцинтилляционных кристаллов небольших размеров с обеспечением запрета регистрации возникающих в малых кристаллах вторичных гамма-квантов соседними элементами матрицы и с защитным органическим сцинтиллятором.

Перечень фигур

Фиг. 1 Типовая структура сцинтилляционного γ-спектрометра.

Фиг. 2. Типичный аппаратурный спектр одиночной γ-линии, полученный со сцинтилляционным детектором средних размеров при Еγ≤2m₀C²=1022 кэВ. Сплошное распределение обусловлено вылетом за пределы кристалла рассеянного (комптоновского) гамма-кванта.

Фиг. 3. Типичный аппаратурный спектр одиночной γ-линии при Еγ≥2m₀C²=1022 кэВ, полученный со сцинтилляционным детектором средних размеров. m₀C² - энергия покоя электрона; Single escape peak и Double escape peak - пики, обусловленные вылетом одного и двух аннигиляционных электронов, соответственно; Multiple Compton events - множественные комптоновские события.

Фиг. 4. Зависимость световыхода некоторых сцинтилляторов в функции от энергии образованных γ-излучением электронов. Световыход дан в относительных единицах, нормировка на единицу выполнена для всех сцинтилляторов при энергии электронов 400 кэВ.

Фиг. 5. Гипотетический случай сцинтиллятора столь больших размеров, что все вторичные γ-кванты полностью поглощаются в его объеме.

Фиг. 6. Одна из простейших реализаций способа. Детектор содержит 9 оптически изолированных сцинтилляционных кристаллов.

Фиг. 7. Временные диаграммы одной из реализаций спектрометра.