Результат интеллектуальной деятельности: ТОНКИЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЁТЧИК

Настоящее изобретение относится к области детектирования слабых радиационных сигналов с помощью сцинтилляционных счетчиков и может быть преимущественно использовано в детекторах обнаружения бета-загрязнений. Кроме того, изобретение может найти применение в исследованиях по физике высоких энергий, ядерной физике, и в различных технических приложениях в тех случаях, когда одновременно требуется высокая скорость счета ионизирующих частиц, максимальный выход фотоэлектронов на единицу поглощенной в сцинтилляторе энергии ионизации при достаточно большой рабочей площади детекторов в несколько дм².

Недостатками газоразрядных детекторов, используемых в настоящее время для контроля за источниками бета-загрязнений частей тела (рук и ступней), являются их недостаточно высокая чувствительность к бета-частицам и насыщение скорости счета при высокой радиационной активности загрязнений, а также ограниченный срок службы.

Требования к таким детекторам определены международным стандартом МЭК 61098 «Приборы контрольные стационарные для измерения поверхностного загрязнения персонала от альфа- и бета-излучателей»

Однако при реализации сцинтилляционных счетчиков, удовлетворяющих требованиям МЭК и превосходящих газоразрядные счетчики по указанным выше характеристикам, встречаются значительные трудности. Так, из требования на размеры площади рабочей области детектора для ступней ног не менее 300×200 мм² следует, что при сочленении торца сцинтилляционной пластины с окном фотокатода любого промышленного малогабаритного фотоумножителя (ФЭУ) необходим световод с габаритными размерами в области сочленения, не превышающими размеры фотокатода. При этом площадь поперечного сечения световода по всей его длине должна быть не менее площади торца сцинтилляционной пластины. В противном случае неизбежны потери сцинтилляционного излучения при прохождении сцинтилляционного излучения через световод или в области его сочленения с окном фотокатода. Использование промышленных ФЭУ с размерами фотокатода, сравнимыми с габаритным размером сцинтилляционной пластины (200 мм), вряд ли стоит рассматривать из-за громоздкости подобной конструкции счетчика.

Известны два типа световодов (и, соответственно, счетчиков), удовлетворяющих указанным выше требованиям:

1. Световод, состоящий из ряда изогнутых полос высокопрозрачного органического стекла, торцы которых приклеиваются к торцу сцинтилляционной пластины, а противоположные торцы полос пристыковываются к окну фотокатода с оптическим контактом, образуя в поперечном сечении квадрат, прямоугольник или круг (приближенно). [Crabb D.G. et al, Nucl. Instr. and Meth., v. 45, (1966), 301]. При оптимальной ширине световодных полос, равной длине торца сцинтилляционной пластины, эффективность пропускания световода составляет около 0,5, что является существенным недостатком такого счетчика.

2. Световод типа "рыбий хвост", изготовляемый из органического стекла и представляющий собой призму, расширяющуюся от размеров толщины торца сцинтилляционной пластины до размеров окна фотокатода и сужающуюся от размеров длины торца пластины до размеров окна фотокатода [Crabb D.G. et al, Nucl. Instr. and Meth., v. 45, (1966), 301], причем получены в несколько раз худшие результаты по эффективности пропускания относительно полосковых световодов.

Наиболее высокие результаты по эффективности пропускания сцинтилляционного излучения получены для световодов, представляющих собой прямоугольные пластины из органического стекла шириной и толщиной, не меньшими, чем размеры торца сцинтилляционной пластины, или продолжение самой сцинтилляционной пластины вне рабочей области. Подобный счетчик, вернее, набор счетчиков, сцинтилляторы которых образуют плоскую поверхность необходимых размеров, является наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа. [G. Bitsadze et al, А 533 (2004), 353-360]. Следует отметить, что при размерах сцинтилляционной полосы 1×7×110 мм³ и даже при максимальной длине световода 170 мм (толщина световода 1 мм, ширина 7 мм) полученное количество фотоэлектронов на единицу поглощенной в сцинтилляторе энергии ионизации превысило 160 фотоэлектронов/МэВ. Такое удельное количество фотоэлектронов недостижимо, например, для компактных конструкций сцинтилляционных счетчиков с выводом излучения на основе спектросмещающих волокон, для которых характерной величиной является значение 30 фотоэлектронов/МэВ [Г.И. Бритвич и другие "Основные характеристики полистирольных сцинтилляторов производства ИФВЭ", Препринт ИФВЭ 2013-23].

Недостатками прототипа являются необходимость использования десятков фотоумножителей (фотодетекторов) и уменьшение геометрической эффективности регистрации частиц из-за конечных зазоров между отдельными сцинтилляторами и эффективности пропускания излучения из-за относительно малой (7 мм) ширины сцинтилляционных и световодных полос.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, является увеличение эффективности регистрации частиц, упрощение конструкции счетчиков с целью повышения надежности прибора, а также уменьшение габаритов сцинтилляционного счетчика. Конкретно решение заключается в замене ряда фотоумножителей, просматривающих сцинтилляционную пластину через световоды из органического стекла или через продолжения самих сцинтилляторов вне рабочей области, одним фотоумножителем с протяженным фотокатодом, просматривающим с использованием оптических контактов сцинтилляционную пластину через пластину-световод с толщиной и шириной, не меньшими, чем соответствующие размеры торца сцинтилляционной пластины или пристыкованным непосредственно к ее торцу.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение эффективности регистрации частиц, упрощение конструкции счетчиков, что приводит к повышению надежности работы прибора. Другими техническими результатами, обеспечиваемыми изобретением, являются уменьшение габаритов и стоимости счетчиков.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в устройстве, содержащем протяженную сцинтилляционную пластину и просматривающие ее фотоприемники, в качестве фотоприемников используется один фотоумножитель с протяженным фотокатодом длиной не менее длины торца сцинтилляционной пластины, и просматривающий пластину с одного из ее торцов. В данном рассматриваемом случае используется специализированный фотоумножитель, имеющий протяженный фотокатод с размерами 20×200 мм², сформированный в виде полосы на внутренней поверхности стеклянной цилиндрической колбы ФЭУ диаметром 40 мм и длиной 250 мм, протяженную умножительную динодную систему шириной не более 20 мм, состоящую из 10-11 динодов, расположенную вдоль фотокатода и один протяженный анод с длиной, равной длине фотокатода. Фотокатод фотоумножителя пристыковывается к торцу сцинтилляционной пластины на оптическом контакте.

При целенаправленном повышении выхода тонких сцинтилляторов и фотоумножителей и с высокими характеристиками детекторы контроля за бета-загрязнениями на их основе будут значительно превосходить газоразрядные счетчики, что делает целесообразным повсеместную замену газоразрядных детекторов тонкими сцинтилляционными счетчиками.

На фиг. 1 представлен схематический вид предлагаемого счетчика в двух проекциях. Заявляемый счетчик состоит из прямоугольной сцинтилляционной пластины 1, к торцу которой присоединен на оптическом контакте ФЭУ 2 с протяженным фотокатодом 3. Соединяющий элемент может представлять собой, например, гибкую пластину 5 из прозрачного кремний-органического материала толщиной 1-2 мм, сочленяющую окно фотокатода цилиндрической формы с плоской поверхностью торца сцинтилляционной пластины. Фотоны сцинтилляционного излучения от проходящих через вещество сцинтиллятора ионизирующих частиц попадают на фотокатод 3, усиливаются динодной системой 4 и вызывают сигнал на аноде 6 ФЭУ.

Дальнейшее увеличение количества фотоэлектронов/МэВ может быть получено за счет эффективных тонкопленочных плоских, цилиндрических или квазицилиндрических отражателей, направляющих выходящее через фронтальные грани сцинтилляционной пластины излучение в сторону протяженного фотокатода (Фиг. 2). Заявляемый счетчик состоит из прямоугольной сцинтилляционной пластины 1, к торцу которой присоединен на оптическом контакте ФЭУ 2 с протяженным фотокатодом 3. Соединяющий элемент может представлять собой, например, гибкую пластину 5 из прозрачного кремний-органического материала толщиной 1-2 мм, сочленяющую окно фотокатода цилиндрической формы с плоской поверхностью торца сцинтилляционной пластины. Фотоны сцинтилляционного излучения от проходящих через вещество сцинтиллятора ионизирующих частиц попадают на фотокатод 3, усиливаются динодной системой 4 и вызывают сигнал на аноде 6 ФЭУ.

Для увеличения количества фотоэлектронов/МэВ используются эффективные тонкопленочные плоские, цилиндрические или квазицилиндрические отражатели 7, направляющие выходящее через фронтальные грани сцинтилляционной пластины излучение в сторону протяженного фотокатода.

Проведенное изучение макета тонкого сцинтилляционного счетчика (Фиг. 1), собранного на основе разработанного в ФГБУ ГНЦ ИФВЭ специализированного ФЭУ и тонкого, толщиной в 1 мм, сцинтиллятора, показало заметное преимущество такого детектора перед газоразрядными детекторами по ключевым параметрам. Так, при удельном количестве фотоэлектронов, получаемым при регистрации макетом с размерами сцинтиллятора 200×300 мм² минимально ионизирующих частиц, составило 110 фотоэлектронов/МэВ, а эффективность регистрации низкоэнергетических частиц оказалась вдвое выше, чем у обычно используемых газоразрядных детекторов при сравнимой скорости фоновых отсчетов.