RU2441256C2 - Scintillation detector electronic and beta-radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: scintillation detector for electronic and beta-radiation, having an electron decelerator, a scintillator, a photodetector and a signal processing channel, where the electron decelerator and the scintillator are in form of a single unit from an assembly of scintillation fibres, lying perpendicular to the direction of propagation of the detected radiation, and the photodetector is in form of a two-coordinate sensitive photographic recorder.

EFFECT: high accuracy of determining energy.

1 dwg

Description

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

Известен сцинтилляционный детектор ядерных излучений (патент US №3688118, кл. G01T 1/00, 1972), который содержит два сцинтилляционных детектора, один из которых чувствителен к заряженным частицам, к электронному и бета-излучению и нейтронам, а второй сцинтилляционный детектор чувствителен только к заряженным частицам, к электронному и бета-излучению. Однако ни один из этих сцинтилляционных детекторов электронного и бета-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 G01T 1/00, 1972), which contains two scintillation detectors, one of which is sensitive to charged particles, to electronic and beta radiation and neutrons, and the second scintillation detector is sensitive only to charged particles, to electronic and beta radiation. However, none of these scintillation detectors of electron and beta radiation is suitable for identifying their energy, since each of them works only in counting mode.

Известны сцинтилляционные детекторы электронного и бета-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 бета-излучения. Однако органические сцинтилляционные детекторы работают в счетном режиме и не обеспечивают спектрометрии электронного и бета-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 detectors of electronic and beta 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 scintillation duration and are fast scintillators of the nano and picosecond range. They, unlike inorganic scintillators, are suitable for registration of super soft electronic and beta radiation. However, organic scintillation detectors operate in counting mode and do not provide spectrometry of electronic and beta radiation. The use of organic scintillators in scintillation spectrometers is limited because of their extremely low energy resolution (several tens of percent) and because of the need to use complex spectrometric electron paths.

Известен сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂ и световода из органического водородсодержащего вещества-сцинтиллятора на основе стильбена или пластмассы (CH)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также электронному и бета-излучению (патент RU №2088952, кл. G01N 1/20, 1997). Однако известный сцинтилляционный детектор по патенту RU №2088952 применяется только в счетном режиме. Возможность его применения для определения энергии электронного и бета-излучения ограничена из-за низкого энергетического разрешения используемых в нем материалов: энергетическое разрешение кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ обычно составляет 15-20%, а органического компонента сцинтилляционного детектора - десятки процентов. Кроме того, известный сцинтилляционный детектор для определения энергии требует применения сложного спектрометрического электронного тракта.Known scintillation detector of electronic and beta radiation in the form of a series-connected scintillation crystal Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ and a fiber made of an organic hydrogen-containing scintillator based on stilbene or plastic (CH) _n sensitive to fast neutrons, as well as electronic and beta radiation (RU patent No. 2088952, class G01N 1/20, 1997). However, the known scintillation detector according to patent RU No. 2088952 is used only in counting mode. The possibility of using it to determine the energy of electronic and beta 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 detector is tens of percent. In addition, the known scintillation detector for determining energy requires the use of a complex spectrometric electron path.

Известен сцинтилляционный детектор, в частности сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения (патент US №5514870, кл. G01T 001/202; G01T 001/203, 1996). Сцинтилляционный детектор содержит чистый кристалл CsI и быстрый пластический сцинтиллятор NE102A. 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 детектора 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 нс), задаваемое пластиком. Однако при определении энергии падающего электронного или бета-излучения временное разрешение детектора оказывается недостаточно высоким, для чистого кристалла CsI оно составляет 30 нс.Known scintillation detector, in particular a scintillation detector of electronic and beta radiation (US patent No. 5514870, CL G01T 001/202; G01T 001/203, 1996). The scintillation detector contains pure CsI crystal and the fast plastic scintillator NE102A. As a photodetector, a photomultiplier is used. When recording incident radiation, 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 detector 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 beta radiation, the temporal resolution of the detector is not high enough, for a pure CsI crystal it is 30 ns.

Известен сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения, описанный в работе (В.Прайс. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1960. 464 с). Детектор содержит сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов. В качестве сцинтиллятора в известном устройстве применяют кристаллы антрацена, обладающие малым временем высвечивания (до 4 нс) и не требующие в отличие от кристаллов NaI-Т1 герметичной упаковки. В качестве фотоприемника применяют фотоэлектронный умножитель. Сцинтиллятор выбирается такого размера, чтобы его площадь равнялась площади катода торцевого фотоумножителя, а толщина - пробегу бета-частиц с максимальной энергией. Тракт обработки сигналов известного сцинтилляционного бета-спектрометрического детектора 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 бета-излучения при энергиях ниже 100 кэВ. Недостатком известного устройства является постоянная толщина выбранного сцинтиллятора, равная, по крайней мере, пробегу бета-частиц с максимальной энергией, что делает его малопригодным, если требуются измерения бета-источников других типов с более жестким спектром, т.е. с большей максимальной энергией. Недостатком является также наличие сложной схемы анализатора и коррекции сигналов.Known scintillation detector of electronic and beta radiation, described in (V. Price. Registration of nuclear radiation. M: IIL, 1960. 464 s). The detector contains a scintillator, a photodetector and a signal processing path. As a scintillator in the known device, anthracene crystals are used, which have a short emission 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 beta particles with maximum energy. The signal processing section of the known scintillation beta spectrometric detector contains an analyzer unit that only detects 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 beta radiation at energies below 100 keV. A disadvantage of the known device is the constant thickness of the selected scintillator, equal to at least the range of beta particles with maximum energy, which makes it unsuitable if measurements of other types of beta sources 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.

Наиболее близким к заявляемому является сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучения (пат. 2251124 от 14.10.2003), который состоит из клинообразного поглотителя излучения вогнутой формы, сцинтиллятора в виде одномерного сцинтилляционного экрана, фотоприемника в виде одномерной фоточувствительной линейки и тракта обработки сигналов. Электронное или бета-излучение в известном детекторе попадает на клинообразный поглотитель излучения и проникает сквозь него на глубину, не превышающую максимальный экстраполированный пробег электронов (бета-частиц) для данной энергии. Прошедшее сквозь поглотитель излучение попадает на сцинтиллятор, обеспечивая его свечение и загрузку находящегося в оптическом контакте с ним фотоприемника. Благодаря клинообразной форме поглотителя свечение сцинтиллятора и соответственно загрузка фотоприемника имеет место от начала (нулевой толщины) клина до некоторого предела, соответствующего определенной толщине клина, по которому и можно определить максимальную энергию падающего излучения. Таким образом, координата крайней светящейся ячейки сцинтилляционного экрана соответствует некоторой максимальной энергии регистрируемого излучения. 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. Однако известный детектор электронного и бета-излучения, имея относительно простой тракт обработки сигналов, обладает и принципиальным недостатком, связанным с тем, что движение электронов ионизирующего излучения при их замедлении внутри клинообразного замедлителя происходит не по прямолинейной, а по сложной ломанной траектории. По этой причине крайняя светящаяся точка сцинтилляционного экрана может лишь качественно (очень неточно) указывать на энергию регистрируемых электронов. Особенно высокие неточности определения энергии электронного и бета-излучения известным детектором имеют место при малых энергиях электронных излучений, т.е. в области малых толщин клинообразного замедлителя. Таким образом, известный детектор электронного и бета-излучения имеет низкое энергетическое разрешение в широком диапазоне энергий регистрируемых излучений и не пригоден для спектрометрических измерений.Closest to the claimed one is a scintillation detector of electronic and beta radiation (Pat. 2251124 dated 10/14/2003), which consists of a wedge-shaped absorber of concave shape, a scintillator in the form of a one-dimensional scintillation screen, a photodetector in the form of a one-dimensional photosensitive ruler and a signal processing path. Electronic or beta radiation in a known detector hits a wedge-shaped radiation absorber and penetrates through it to a depth not exceeding the maximum extrapolated range of electrons (beta particles) for a given energy. The radiation transmitted through the absorber is incident on the scintillator, providing its luminescence and loading of the photodetector located in optical contact with it. Due to the wedge-shaped shape of the absorber, the scintillator glows and, accordingly, the photodetector is 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. Thus, the coordinate of the extreme luminous cell of the scintillation screen corresponds to a certain maximum energy of the detected radiation. 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. However, the well-known electron and beta radiation detector, having a relatively simple signal processing path, also has a fundamental drawback associated with the fact that the movement of electrons of ionizing radiation when they are slowed down inside a wedge-shaped moderator does not occur along a straight line, but along a complex broken path. For this reason, the extreme luminous point of the scintillation screen can only qualitatively (very inaccurately) indicate the energy of the recorded electrons. Especially high inaccuracies in determining the energy of electronic and beta radiation by a known detector occur at low energies of electronic radiation, i.e. in the region of small thicknesses of the wedge-shaped moderator. Thus, the known electron and beta radiation detector has a low energy resolution over a wide range of recorded radiation energies and is not suitable for spectrometric measurements.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технического решения детектора электронного и бета-излучения с относительно простым трактом обработки сигналов, обеспечивающего повышенную точность определения энергии электронного или бета-излучения.The objective of the invention is to provide a technical solution for the detector of electronic and beta radiation with a relatively simple signal processing path, providing increased accuracy in determining the energy of electronic or beta radiation.

Задача изобретения решается благодаря тому, что в предлагаемом техническом решении детектора электронного и бета-излучения замедлитель электронов и сцинтиллятор выполнены в виде единого блока из сборки сцинтиллирующих волокон, расположенных перпендикулярно направлению распространения регистрируемого излучения, а фотоприемник выполнен в виде двухкоординатно-чувствительного фоторегистратора, например ПЗС-матрицы.The objective of the invention is solved due to the fact that in the proposed technical solution of the detector of electronic and beta radiation, the electron moderator and scintillator are made as a single unit from an assembly of scintillating fibers located perpendicular to the direction of propagation of the detected radiation, and the photodetector is made in the form of a two-coordinate sensitive photo recorder, for example, CCD matrices.

Схема предлагаемого технического решения детектора электронного и бета-излучения представлена на чертеже.The scheme of the proposed technical solution for the detector of electronic and beta radiation is presented in the drawing.

Предлагаемый детектор электронного и бета-излучения состоит из сборки 1 сцинтилляционных волокон, двухкоординатно-чувствительного фоторегистратора 2 (например, ПЗС-матрицы), блока обработки сигналов 3 и светоотражающего зеркала 4. Сборка сцинтилляционных волокон 1 находится в оптическом контакте с фоторегистратором 2 и зеркалом 3.The proposed detector of electronic and beta radiation consists of an assembly of 1 scintillation fibers, a two-coordinate sensitive photorecorder 2 (for example, a CCD), a signal processing unit 3, and a reflective mirror 4. The assembly of scintillation fibers 1 is in optical contact with the photorecorder 2 and mirror 3 .

Предлагаемый детектор электронного и бета-излучения работает следующим образом. Электронное или бета-излучение попадает на сборку 1 сцинтилляционных волокон в направлении, перпендикулярном расположению волокон, вызывая в волокнах появление сцинтилляционных вспышек. По мере проникновения электронного или бета-излучения вглубь сборки 1 сцинтилляционных волокон происходит уменьшение энергии регистрируемых электронов до такого уровня, при котором возникновение сцинтилляционных вспышек становится невозможным. Толщина сборки 1 сцинтилляционных волокон всегда выбирается больше максимального пробега регистрируемых электронов. Сцинтилляционные вспышки, возникшие в волокнах сборки 1, по этим же волокнам передаются в двухкоординатно-чувствительный фоторегистратор 2, находящийся в оптическом контакте с одним из торцов сцинтилляционных волокон сборки 1. Другие торцы волокон сборки 1 находятся в оптическом контакте со светоотражающим зеркалом 4, которое повышает светосбор сцинтилляционных вспышек на фоторегистраторе 2. Таким образом, в результате попадания электронного или бета-излучения на сборку 1 сцинтилляционных волокон на фотоприемнике 2 возникает двумерная яркостная картина, позволяющая достаточно точно судить об энергетическом распределении электронов в регистрируемом потоке. Несмотря на то что движение электронов ионизирующего излучения при их замедлении внутри сборки волокон происходит не по прямолинейной, а по сложной ломанной траектории, точность определения энергии электронов в предлагаемом детекторе оказывается выше, чем, например, в случае известного детектора с клинообразным замедлителем (пат. 2251124 от 14.10.2003), поскольку, во-первых, светосбор сцинтилляций происходит в параллельных каналах, формируемых отдельными волокнами по всей ширине регистрируемого потока ионизирующего излучения, а, во-вторых, получаемая двумерная картина позволяет вести более точный анализ энергетического распределения электронов в регистрируемом потоке излучения. Сигнал с фоторегистратора 2 считывается блоком обработки сигналов 3.The proposed detector of electronic and beta radiation operates as follows. Electronic or beta radiation enters the assembly of 1 scintillation fibers in a direction perpendicular to the arrangement of the fibers, causing scintillation bursts in the fibers. As electron or beta radiation penetrates deeper into the assembly of scintillation fibers 1, the energy of the recorded electrons decreases to a level at which the occurrence of scintillation bursts becomes impossible. The thickness of the assembly of 1 scintillation fibers is always chosen greater than the maximum path of the recorded electrons. Scintillation flashes that occurred in the fibers of assembly 1 are transmitted through these same fibers to a two-coordinate sensitive photo recorder 2, which is in optical contact with one of the ends of the scintillation fibers of assembly 1. The other ends of the fibers of assembly 1 are in optical contact with a reflective mirror 4, which increases light collection of scintillation flashes on photorecorder 2. Thus, as a result of electron or beta radiation entering assembly 1 of scintillation fibers on photodetector 2, a two-dimensional luminance pattern, which makes it possible to fairly accurately judge the energy distribution of electrons in the detected flow. Despite the fact that the movement of electrons of ionizing radiation when they slow down inside the fiber assembly does not follow a straight line, but along a complex broken path, the accuracy of determining the electron energy in the proposed detector is higher than, for example, in the case of the known detector with a wedge-shaped moderator (Pat. 2251124 dated October 14, 2003), since, firstly, the scintillation light collection occurs in parallel channels formed by individual fibers along the entire width of the recorded ionizing radiation flux, and, secondly, the floor tea dimensional picture allows for a more accurate analysis of the energy distribution of electrons in the recorded radiation flux. The signal from the photo recorder 2 is read by the signal processing unit 3.

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

Claims (1)

Сцинтилляционный детектор электронного и бета-излучений, включающий замедлитель электронов, сцинтиллятор, фотоприемник и тракт обработки сигналов, отличающийся тем, что замедлитель электронов и сцинтиллятор выполнены в виде единого блока из сборки сцинтиллирующих волокон, расположенных перпендикулярно направлению распространения регистрируемого излучения, а фотоприемник выполнен в виде двухкоординатно-чувствительного фоторегистратора. A scintillation detector of electronic and beta radiation, including an electron moderator, scintillator, photodetector and signal processing path, characterized in that the electron moderator and scintillator are made as a single unit from an assembly of scintillating fibers located perpendicular to the direction of propagation of the detected radiation, and the photodetector is made in the form bi-coordinate sensitive photorecorder.