RU2251124C1 - Electron and beta-radiation scintillation detector - Google Patents

Abstract

FIELD: identification of electron and beta-radiation for dosimeters and customs appliances.

SUBSTANCE: scintillator of the device is made in form of one-dimensional scintillation screen. It has wedge-shaped radiation transformer made of low effective atomic weight material. Radiation transformer has concaved shape. Scintillator glow is perceived by photoreceiver which is made in form of one-dimensional linear array of photoreceivers. Signal processing section has circuit for finding location of the last glowing cell of one-dimensional scintillation screen.

EFFECT: ability of working at real time-scale mode; simplification of signal processing; ability of registering positron radiation.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений, чувствительных к электронному и β-излучению, предназначенных для определения энергии электронного и β-излучения и применяемых в дозиметрической и таможенной практике для идентификации источников, электронного и β-излучения, а также при работе с радиоизотопами в медицинской диагностике и терапии.The invention relates to the field of sensors of ionizing radiation sensitive to electronic and β-radiation, designed to determine the energy of electronic and β-radiation and used in dosimetric and customs practice to identify sources, electronic and β-radiation, as well as when working with radioisotopes in medical diagnosis and therapy.

Известен сцинтилляционный детектор ядерных излучений (Патент US №3688118, кл. G 01 T 1/00, 1972.), который содержит два сцинтилляционных датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам, к электронному и β-излучению и нейтронам, а второй сцинтилляционный датчик чувствителен только к заряженным частицам, к электронному и β-излучению. Однако ни один из этих сцинтилляционных датчиков электронного и β-излучения не пригоден для идентификации их энергии, поскольку каждый из них работает только в счетном режиме.Known scintillation detector of nuclear radiation (US Patent No. 3688118, class G 01 T 1/00, 1972.), which contains two scintillation sensors, one of which is sensitive to charged particles, to electron and β radiation and neutrons, and the second scintillation the sensor is sensitive only to charged particles, to electronic and β-radiation. However, none of these scintillation sensors of electron and β radiation is suitable for identifying their energy, since each of them works only in counting mode.

Известны сцинтилляционные датчики электронного и β-излучения на основе органических материалов (Шрам Э., Ломбер Р. Органические сцинтилляторы. М.: Атомиздат, 1967. 184 с.). Органические сцинтилляторы, уступая неорганическим по термической устойчивости, обладают рядом преимуществ: они обладают малой длительностью сцинтилляций и являются быстрыми сцинтилляторами нано- и пикосекундного диапазона. Они, в отличие от неорганических сцинтилляторов, пригодны для регистрации супермягкого электронного и β-излучения. Однако органические сцинтилляционные датчики работают в счетном режиме и не обеспечивают спектрометрии электронного и β-излучения. Использование органических сцинтилляторов в сцинтилляционных спектрометрах ограничено из-за их крайне низкого энергетического разрешения (несколько десятков процентов) и из-за необходимости применения сложных спектрометрических электронных трактов.Known scintillation sensors of electronic and β-radiation based on organic materials (Scar E., Lomber R. Organic scintillators. M: Atomizdat, 1967. 184 S.). Organic scintillators, inferior to inorganic ones in thermal stability, have several advantages: they have a short duration of scintillations and are fast scintillators of the nano and picosecond range. They, unlike inorganic scintillators, are suitable for registration of super soft electron and β radiation. However, organic scintillation sensors operate in counting mode and do not provide spectrometry of electron and β radiation. The use of organic scintillators in scintillation spectrometers is limited due to their extremely low energy resolution (several tens of percent) and because of the need to use complex spectrometric electron paths.

Известен сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂ и световода из органического водородсодержащего вещества - сцинтиллятора на основе стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также электронному и β-излучению (Патент RU №2088952, кл. G 01 N 1/20, 1997). Однако известный сцинтилляционный датчик по патенту RU №2088952 применяется только в счетном режиме. Возможность его применения для определения энергии электронного и β-излучения ограничена из-за низкого энергетического разрешения используемых в нем материалов: энергетическое разрешение кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ обычно составляет 15-20%, а органического компонента сцинтилляционного датчика - десятки процентов. Кроме того, известный сцинтилляционный датчик для определения энергии требует применения сложного спектрометрического электронного тракта.Known scintillation sensor of electronic and β-radiation in the form of series-connected scintillation crystal Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ and a fiber made of an organic hydrogen-containing substance - a scintillator based on stilbene or plastic (CH) _n , sensitive to fast neutrons, as well as electronic and β-radiation (Patent RU No. 2088952, class G 01 N 1/20, 1997). However, the known scintillation sensor according to patent RU No. 2088952 is used only in the counting mode. The possibility of its use for determining the energy of electron and β radiation is limited due to the low energy resolution of the materials used in it: the energy resolution of Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ crystals is usually 15-20%, and the organic component of the scintillation sensor is tens of percent. In addition, the known scintillation sensor for determining energy requires the use of a complex spectrometric electron path.

Известен сцинтилляционный датчик, в частности сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения (Патент US №5514870, кл. G 01 T 001/202; G 01 T 001/203, 1996). Сцинтилляционный датчик содержит чистый кристалл CsI и быстрый пластический сцинтиллятор NE 102 A. В качестве фотоприемника используют фотоумножитель. При регистрации падающей радиации световые сцинтилляции от обоих сцинтилляторов: пластика и кристалла CsI, поступают на фотоумножитель, сигналы от которого обрабатываются электронным трактом. Однако тракт обработки сигналов известного датчика оказывается сложным. Он включает в себя анализатор импульсов, временной селектор с короткими и длинными временными воротами. Детектор при анализе вида падающей радиации обеспечивает высокое временное разрешение (3 нc), задаваемое пластиком. Однако при определении энергии падающего электронного или β-излучения временное разрешение датчика оказывается недостаточно высоким, для чистого кристалла CsI оно составляет 30 нc.Known scintillation sensor, in particular a scintillation sensor of electronic and β-radiation (US Patent No. 5514870, CL G 01 T 001/202; G 01 T 001/203, 1996). The scintillation sensor contains a pure CsI crystal and a fast plastic scintillator NE 102 A. A photomultiplier is used as a photodetector. When incident radiation is detected, light scintillations from both scintillators: plastic and CsI crystal are fed to a photomultiplier, the signals from which are processed by the electron path. However, the signal processing path of the known sensor is complex. It includes a pulse analyzer, a time selector with short and long time gates. When analyzing the type of incident radiation, the detector provides a high temporal resolution (3 ns) specified by plastic. However, when determining the energy of incident electron or β radiation, the temporal resolution of the sensor is not high enough, for a pure CsI crystal it is 30 ns.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения, описанный в работе (В.Прайс. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1960. 464 с.). Датчик содержит сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов. В качестве сцинтиллятора в известном устройстве применяют кристаллы антрацена, обладающие малым временем высвечивания (до 4 нc) и не требующие в отличие от кристаллов NaI-T1 герметичной упаковки. В качестве фотоприемника применяют фотоэлектронный умножитель. Сцинтиллятор выбирается такого размера, чтобы его площадь равнялась площади катода торцевого фотоумножителя, а толщина - пробегу β-частиц с максимальной энергией. Тракт обработки сигналов известного сцинтилляционного β-спектрометрического датчика содержит блок анализатора, который регистрирует только импульсы, соответствующие пику полной энергии, и анализирует формируемый амплитудный спектр, а также содержит сложную схему, которая корректирует получаемый амплитудный спектр из-за нелинейной зависимости световыхода антрацена от энергии электронного и β-излучения при энергиях ниже 100 кэВ.Closest to the claimed is a scintillation sensor of electronic and β-radiation, described in (V. Price. Registration of nuclear radiation. M .: IIL, 1960. 464 p.). The sensor contains a scintillator, a photodetector and a signal processing path. As a scintillator in the known device, anthracene crystals are used that have a short flash time (up to 4 ns) and do not require hermetic packaging, unlike NaI-T1 crystals. As a photodetector, a photoelectronic multiplier is used. The scintillator is selected so that its area is equal to the area of the cathode of the end photomultiplier, and the thickness is equal to the range of β particles with maximum energy. The signal processing section of the known scintillation β-spectrometric sensor contains an analyzer unit that records only pulses corresponding to the peak of the total energy, and analyzes the generated amplitude spectrum, and also contains a complex circuit that corrects the obtained amplitude spectrum due to the nonlinear dependence of the light output of anthracene on electronic energy and β radiation at energies below 100 keV.

Недостатком известного устройства является постоянная толщина выбранного сцинтиллятора, равная, по крайней мере, пробегу β-частиц с максимальной энергией, что делает его малопригодным, если требуются измерения β-источников других типов с более жестким спектром, т.е. с большей максимальной энергией. Недостатком является также наличие сложной схемы анализатора и коррекции сигналов.A disadvantage of the known device is the constant thickness of the selected scintillator, equal to at least the range of β-particles with maximum energy, which makes it unsuitable if measurements of β-sources of other types with a more rigid spectrum are required, i.e. with more maximum energy. The disadvantage is the presence of a complex analyzer circuit and signal correction.

Предлагаемый сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения (чертеж) состоит из сцинтиллятора в виде одномерного сцинтилляционного экрана 1, содержащего дополнительно клинообразный преобразователь излучения вогнутой формы 2, фотоприемника, в виде одномерной фоточувствительной линейки 3 и тракта обработки сигналов 4. Датчик работает следующим образом. Попадая в дополнительный преобразователь излучения, электронное излучение проходит через клинообразный преобразователь излучения вдоль оси Z на величину, не превышающую максимальный экстраполированный пробег электронов (β-частиц) для данной энергии. Это означает, что только часть излучения достигнет сцинтиллятора 1, т.е. по оси Х будет загружена только часть ячеек фотоприемной линейки от начала (нулевой толщины) клина до некоторого предела, соответствующего определенной толщине клина, по которому и можно определить максимальную энергию падающего излучения. Чтобы координата крайней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана была пропорциональна энергии регистрируемых электронов, поверхность клина должна иметь форму (Z=f(X)), соответствующую зависимости пробега электронов от их энергии. Фоторегистрирующее устройство и тракт обработки сигналов определяют крайнюю светящуюся ячейку сцинтилляционного экрана путем сравнения сигнала от каждой ячейки фоторегистрирующей линейки с сигналом, соответствующим пороговому значению, адекватному фону. Световой фон может быть связан с естественным гамма-фоном и случайными слабыми сцинтилляциями. Устройство определяет координату Х последней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана. Это, поскольку Х~R_экс, равносильно определению экстраполированного пробега R_экс электронов (β-частиц) в веществе клина, имеющем небольшой эффективный атомный номер Z_эфф (алюминий, легкая керамика, фторид лития или натрия и др.) для уменьшения альбедо электронного и β-излучения. Далее по величине R_экс, [г/см²], определяется энергия электрона Е₀, [МэВ], по формулеThe proposed scintillation sensor of electronic and β-radiation (drawing) consists of a scintillator in the form of a one-dimensional scintillation screen 1, which additionally contains a wedge-shaped radiation converter of concave shape 2, a photodetector, in the form of a one-dimensional photosensitive line 3 and a signal processing path 4. The sensor operates as follows. Getting into the additional radiation converter, the electron radiation passes through the wedge-shaped radiation converter along the Z axis by an amount not exceeding the maximum extrapolated range of electrons (β-particles) for a given energy. This means that only part of the radiation reaches the scintillator 1, i.e. along the X axis, only a part of the cells of the photodetector line will be loaded from the beginning (zero thickness) of the wedge to a certain limit corresponding to a certain thickness of the wedge, from which the maximum energy of the incident radiation can be determined. In order for the coordinate of the outermost luminous cell of the scintillation screen to be proportional to the energy of the registered electrons, the wedge surface must have the shape (Z = f (X)) corresponding to the dependence of the electron path on their energy. The photo-recording device and the signal processing path determine the extreme luminous cell of the scintillation screen by comparing the signal from each cell of the photo-recording array with a signal corresponding to a threshold value that is adequate to the background. The light background may be due to the natural gamma background and occasional faint scintillations. The device determines the X coordinate of the last luminous cell of the scintillation screen. This, since X ~ R _ex , is equivalent to determining the extrapolated range of R _ex electrons (β particles) in a wedge material having a small effective atomic number Z _eff (aluminum, light ceramics, lithium or sodium fluoride, etc.) to reduce the electronic and β radiation. Further, by the value of R _ex , [g / cm ² ], the electron energy E ₀ , [MeV] is determined by the formula

где

Where

где А - атомная масса, Z - эффективный атомный номер вещества. (В.П.Машкович, А.В.Кудрявцева. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1995. 494 с.)where A is the atomic mass, Z is the effective atomic number of the substance. (V.P. Mashkovich, A.V. Kudryavtseva. Protection against ionizing radiation. Reference book. M: Energoatomizdat, 1995. 494 p.)

Сцинтилляционный экран изготавливают из материала с малым временем высвечивания τ (например, (Li, Na)F кристаллы с τ<5 нс), что позволяет датчику работать в режиме реального времени при больших радиационных загрузках.The scintillation screen is made of a material with a short emission time τ (for example, (Li, Na) F crystals with τ <5 ns), which allows the sensor to work in real time with large radiation loads.

Преимуществом предлагаемого сцинтилляционного датчика электронного и β-излучения является его работа в режиме реального времени и простота тракта обработки сигналов в сравнении с аналогами, в которых используются сложные схемы с высокими требованиям к линейности преобразования сигналов.The advantage of the proposed scintillation sensor of electronic and β-radiation is its real-time operation and simplicity of the signal processing path in comparison with analogs that use complex circuits with high requirements for linear signal conversion.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтилляционного датчика электронного и β-излучения является возможность регистрации не только электронного и β-, но и позитронного излучения.An additional advantage of the proposed scintillation sensor of electronic and β-radiation is the ability to register not only electronic and β-, but also positron radiation.

Claims (3)

1. Сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения, включающий сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов, отличающийся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде одномерного сцинтилляционного экрана и дополнительно содержит клинообразный преобразователь излучения, фотоприемник выполнен в виде одномерной фоточувствительной линейки, а тракт обработки сигналов включает схему для определения местоположения крайней светящейся ячейки одномерного сцинтилляционного экрана.1. A scintillation sensor of electronic and β-radiation, including a scintillator, a photodetector and a signal processing path, characterized in that the scintillator is made in the form of a one-dimensional scintillation screen and further comprises a wedge-shaped radiation transducer, the photodetector is made in the form of a one-dimensional photosensitive array, and the signal processing path includes a circuit for determining the location of the extreme luminous cell of a one-dimensional scintillation screen. 2. Сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения по п.1, отличающийся тем, что клинообразный преобразователь изготовлен из вещества с небольшим эффектным атомным номером.2. The scintillation sensor of electronic and β-radiation according to claim 1, characterized in that the wedge-shaped transducer is made of a substance with a small effective atomic number. 3. Сцинтилляционный датчик электронного и β-излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что клинообразный преобразователь имеет вогнутую форму, обеспечивающую линейную зависимость преобразования энергии регистрируемого излучения в величину пробега.3. The scintillation sensor of electronic and β-radiation according to claim 1 or 2, characterized in that the wedge-shaped transducer has a concave shape, providing a linear dependence of the conversion of the energy of the detected radiation into the range.