Оптимизация и расчет быстродействующего канала гамма-датчика. Исследование многоканальных схем гамма-датчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.11. Влияния на ВАХ материалов отражателя с использованием коллимационной головки с диаметром отверстия d=18мм для сцинтиллятора ПС-Н2 длиной L=100мм

Характеристики	Сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=100 мм С коллиматором
	Без отражателя	Отражатель фольга	Отражатель белая писчая бумага	Отражатель черная фотобумага	Отражатель фум-лента
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmin, нс	-7.6	-4.5	-4.1	-5	-3
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmах, нс	108.4	111.1	96.2	122.8	172.2
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmеаn, нс	5.4	6.3	6.7	5.7	6.3
Длительность импульса на 10% амплитуды tmean, нс	17.9	20.9	22.2	18.9	20.9

 

 

 

 

 

Таблица 2.12. Влияния на ВАХ материалов отражателя с использованием коллимационной головки с диаметром отверстия d=18мм для сцинтиллятора ПС-Н2 длиной L=200м

Характеристики	Сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=200 мм С коллиматором
	Без отражателя	Отражатель фольга	Отражатель белая писчая бумага	Отражатель черная фотобумага	Отражатель фум-лента
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmin, нс	-6.5	-4.3	-2.2	-2.8	-2.6
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmах, нс	101.7	59.9	105.3	122.7	83.2
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmеаn, нс	6	8	7.1	6	8.7
Длительность импульса на 10% амплитуды tmean, нс	19.9	26.5	23.5	19.9	28.9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Определение влияния на ВАХ формы и площади окна

коллимационной головки

2.4.1 Определение влияния на ВАХ формы коллимационной головки

 

  В данном  разделе проводились исследования  влияния на ВАХ формы коллимационной  головки. Для этого использовались  два коллиматора с отверстиями  круглой и квадратной формы  соответственно. Площади отверстий  у данных коллиматоров приблизительно  равны. Они составляют S=254.34мм² (для коллиматора с круглым отверстием диаметр которого составляет d=18мм) и S=282.24мм² (для коллиматора с квадратным отверстием сторона которого составляет а=16.8мм). Испытания поводились для сцинтиллятора ПС-Н2 длинной L=100мм, без использования отражателей, и на одном расстоянии, между серединой сцинтиллятора и источника ОСГИ Cs-137, равном 640мм.

 

 

Таблица 2.13. Влияния на ВАХ формы коллимационной головки для сцинтиллятора ПС-Н2 длиной L=100мм

Характеристики	Сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=100 мм без отражателя
	Без коллиматора	Круглый коллиматор с диаметром d=18мм Площадь S=254.34мм2	Квадратный коллиматор со стороной а=16.8мм Площадь S=282.24мм2
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmin, нс	975*10-3	-3.5	-2.9
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmах, нс	35.7	135.5	147.8
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmеаn, нс	9.7	5.37	5.9
Длительность импульса на 10% амплитуды tmean, нс	32.2	17.8	19.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.2 Определение влияния на ВАХ площади окна коллимационной головки

 

  На данном  этапе работы были проведены  исследования с целью определения  влияния на ВАХ площади окна коллимационной головки. Испытания проводились с использованием трех коллимационных головок с окнами квадратной формы. Площадь отверстий составляет S=900мм² (для длинны стороны a=30мм), S=400мм² (для длинны стороны a=20мм) и S=282.24мм² (для длинны стороны a=16.8мм). На протяжении испытаний использовался сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=100мм без отражателя. Испытания проводились на одинаковом расстоянии от центра сцинтиллятора до источника ОСГИ Cs-137, которое составляет 640мм.

 

Таблица 2.14. Влияния на ВАХ площади окна коллимационной головки для сцинтиллятора ПС-Н2 длиной L=100мм

Характеристики	Сцинтиллятор ПС-Н2 длиной L=100 мм без отражателя
	Без коллиматора	Квадратное окно коллиматора со стороной a=16.8мм Площадь S=254.34мм2	Квадратное окно коллиматора со стороной a=20мм Площадь S=400мм2	Квадратное окно коллиматора со стороной a=30мм Площадь S=900мм2
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmin, нс	975*10-3	-2.9	-1.7	-2.1
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmах, нс	35.7	147.8	155.9	62.2
Длительность импульса на 50% амплитуды  tmеаn, нс	9.7	5.9	6.9	8.5
Длительность импульса на 10% амплитуды tmean, нс	32.2	19.6	22.9	28.2

 

 

ГЛАВА 3 СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД

3.1 ОДНОМЕРНЫЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД

При построении сцинтилляционных позииионно-чувствительных детекторов (СПЧД) используют метод разделения светового потока, обусловленного сцинтилляцией, а коллекторами служат фотокатоды ФЭУ. Чаще всего СПЧД применяют для регистрации γ-квантов, а в качестве сцинтилляторов в них используют кристаллы NaI(Tl).

Дискретные СПЧД используют для определения как координаты места попадания γ-кванта в детектор, так и глубины проникновения кванта до его взаимодействия с веществом детектора.

В первом случае СПЧД содержат расположенные в ряд монокристаллы NaI(Tl) относительно малого диаметра, оптически изолированные друг от друга и связанные с фотоумножителями. Каждый сцинтиллятор может быть подсоединен к автономному ФЭУ. Однако чтобы сократить число ФЭУ, целесообразно использовать матричное кодирование номера сцинтиллятора, с которым взаимодействует γ-квант, и координату определять по номеру строки i и номеру столбца j. Для этого к каждому монокристаллу подсоединяют по два плексигласовых световода; световоды, подходящие ко всем сцинтилляторам каждой строки, соединяют со своим ФЭУ, а световоды, подходящие ко всем сцинтилляторам каждого столба, — со своим. Таким образом, номера пары одновременно сработавших ФЭУ определяют кристалл, в котором произошла сцинтилляция.

Пространственное разрешение такого СПЧД определяется диаметром монокристаллов d_cц и для его улучшения необходимо уменьшать величину d_cц. Однако при этом возрастает число ФЭУ, световодов, объем электронного оборудования. Кроме того, когда пробег фотоэлектрона, образованного γ-квантом, становится соизмеримым с диаметром d_сц, сцинтиллятору все чаще будет передаваться не вся энергия γ-кванта Е_γ и при наличии амплитудного отбора будет снижаться эффективность регистрации γ-излучения [например, для E_в = 0,5 МэВ пробег электронов в NaI(Tl) близок к 0.7 мм]. Поэтому нецелесообразно использовать СПЧД с d_cц<5 мм. Из-за того что в световодах световой поток значительно ослабляется, причем по-разному для различных сцинтилляторов, дисперсия получаемого амплитудного распределения сигналов оказывается довольно большой. Для этих детекторов характерна неоднородность чувствительности, обусловленная разбросом диаметров сцинтилляторов d_сц и разбросом коэффициента умножения разных ФЭУ.

СПЧД, определяющие глубину проникновения γ-кванта, состоят из нескольких оптически изолированных друг от друга шайб сцинтиллятора, которые с торцов через световоды соединены с ФЭУ.

Аналоговые СПЧД могут быть построены на основе разных методов выделения позиционной информации и содержать два и более ФЭУ. Чаще всего в одномерных аналоговых СПЧД используют временной метод выделения координаты места взаимодействия со сцинтиллятором γ-кванта или нейтрона. Такие детекторы содержат сцинтиллятор в форме параллелепипеда длиной L, «просматриваемый» с двух противоположных торцов фотоумножителями (рис. 3.1, а). Измеряется разность во времени моментов появления анодных импульсов ФЭУ Δt, которая при эффективной скорости распространения светового сигнала в сцинтилляторе V_эф и расстоянии места световой вспышки от середины сцинтиллятора х равна 2х/V_эф, т. е. пропорциональна искомой координате.

В большинстве случаев в таких СПЧД применяют твердотельные сцинтилляторы на основе полистирола или поливинилтолуола с добавлением р-терфинила и РОРОР. Типичная длина сцинтиллятора L = 0,4-0,5 м, а его сечение 60X10 мм². Однако применяют и жидкие сцинтилляторы, такие как толуол с добавками 3 г/л р-терфинила и 100 мг/л РОРОР или 33 мг/л дистрилбифенола. Жидкие сцинтилляторы могут быть большой длины, они дешевы, просты в изготовлении, обладают высокой прозрачностью. Проведенные измерения показывают, что скорость V_эф в зависимости от задания порога дискриминации лежит в пределах от 0,4*10¹⁰ до 6*10¹⁰ см/с, поэтому для достижения позиционного разрешения около 1 см необходимо выделять разницу времени Δt=0,1 нс. Реально, даже для лучших фотоумножителей (типа ФЭУ-85 и ФЭУ-87), значения Δt на порядок большие, и было получено позиционное разрешение таких СПЧД от 3 до 5 см.

Другой метод основан на определении координаты по отношению сигналов двух ФЭУ, расположенных у противоположных краев сцинтиллятора. В этом случае СПЧД содержит узкий сцинтиллятор длиной L, на торцах которого размещены

Рис. 3.1. Аналоговые сцинтиляционные ПЧД с ФЭУ, расположенными у торцов (а), и параллельно основной поверхности сцинтиллятора (б):

1 — ФЭУ; 2 — световод; 3 — сцинтиллятор; 4 — светозащитная перегородка

два ФЭУ; L= 400-600 мм. Поскольку кристалл NaI(Tl) такой длины получить трудно, обычно используют составной сцинтиллятор, который состоит из нескольких десятков монокристаллов диаметром 40-50 мм и высотой 10-15 мм, притертых торцами друг к другу.

Метод построения одномерных СПЧД, также содержащих два ФЭУ, основан на восприятии этими умножителями светового потока, выходящего из основной поверхности сцинтиллятора. На рис. 3.1,б показана конструкция такого детектора нейтронов со сцинтиллятором площадью 63x10 мм и световодом, соединяющим сцинтиллятор с фотокатодами. Соотношение сигналов на выходах ФЭУ U₁ и U₂ однозначно связано с координатой сцинтилляции х, и значение х может быть вычислено, если известно отношение U₁/(U₁+U₂).

Одномерные аналоговые СПЧД могут содержать также несколько ФЭУ (более двух), расположенных рядом друг с другом у торцевой поверхности, параллельной основной поверхности сцинтиллятора. Эти детекторы представляют собой одномерные варианты двухмерных СПЧД.

3.2 ДВУХМЕРНЫЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ПЧД

Двухмерные СПЧД дискретного типа сходны с аналогичными одномерными детекторами и также содержат множество оптически изолированных монокристаллов NaI(Tl) относительно малого размера. Однако кристаллы в двухмерных устройствах размещены не в ряд, а образуют мозаику, перекрывающую некоторую площадь. Приборы с такими детекторами называют автофлуороскопами. Типичный дискретный двухмерный СПЧД, описанный в работе, состоит из 260 плотно упакованных кристаллов NaI(Tl) диаметром 9,6 мм и высотой 50,8 мм, образующих матрицу с 20 строками и 13 столбцами (размеры активной поверхности детектора 200Х130 мм). Координаты сцинтилляций определяют с помощью 33 ФЭУ, соединенных с кристаллами через плексигласовые световоды. Каждый из 20 ФЭУ строк соединен через световоды со всеми кристаллами данной строки, а каждый из 13 ФЭУ столбцов - со всеми кристаллами данного столбца; следовательно, к каждому кристаллу подходят два световода - столбца и строки.

На двухмерные СПЧД распространяются все ограничения по пространственному разрешению и неоднородности чувствительности, характерные для одномерных устройств. В то же время у СПЧД дискретного типа отсутствует координатная нелинейность.