Способ улучшения спектрометрических свойств сцинтилляционного блока детектирования

1 Т 12 51)5 ЗОБ РЕТЕ ПИСАНИ И у продольного пе 1(21) 2640474/25 (22) 03,05,78 (46) 23.01.93. Бю (72) В.Л.Янкелеви Ю,АЦирлин, Р,А,Г контролируют велич1репада световыхода 3-С опти" Р Г.А,Кибальворова .,и А,П такое отношен ренная .величи мальным,считаютпри котором измСа - СЫ) приС а а имает минимальное нацение де хоф ичаюительное ФотоприСВ-СбС и и ем ляют из условияветстотивоположное ната на Фотоприемо выбранное иления выходасо стороны то блоков может Изобретение оции и измерению. излучения, в часулучшения спектр регистра ядерногооблемех харак" оситсяраметроости кетрице и я озда енны СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(54)(57) 1, СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ СПЕКТРОИЕТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННО"ГО БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ, включающийвыбор направления выхода света на Фотоприемник и изменение условий отражения света путем матирования и полирования боковой поверхности сцинтиллятора, о т л и ц а ю щ и й с ятем, цто, с целью улучшения энергетического разрешения путем выравнивания продольного распределения световыхода без по(авления световыхода отдельных областей сцинтиллятора, регулируют величину продольного перепадасветовыхода путем чередования продольных матированных и полированныхполос и изменяют в интервале от 0 додолю Б/Б матированной или полированной поверхности Б/К к полной пло"щади боковой поверхности Б, при этом Б - площадь матированной или полированной цасти боковой поверхности,"о - площадь боковой поверхности,световыход при возбужденииудаленной от Фотоприемникаобласти сцинтиллятораф- световыход при возбужденииблизкой к Фотоприемнику об.- ласти сцинтиллятора; С - среднее значение световыдаоСпособ пол й ся тем, очт авление выход а теристик сцинтилляционных тектирования (СБД). Спосо ти широкое применение при новых типов СБД, предназнрешения актуальных научных и практических задач, связанных с измерением параметров ионизирующего излучения, а также в массовом производстве сцинтилляционных детекторов и СБД.СБД нашл 1 л широкое применение в гамма-гамма- и нейтрон-гамма-каротаже. При этом СБД испо.пьзуются для регистрации гамма-излучения, падающего 10 .на детектор по направлениям, близким к радиальным, Диаметр детектора П ог" раничен диаметром скважины, Поэтому чувствительность таких детекторов можно повышать только за счет увели чения длины Н, В этой связи особенно актуальной стала проблема улучшения спектрометрических свойств, в частности энергетического разрешения, СБД на основе "длинных" сцинтилляци онных детекторов, Вклад таких детекторов в разрешение СБД в основном определяется неоднородностью продольного распределения световыхода. Известно, что энергетическое разрешение СБД определяется как собственным разрешением сцинтилляционного детектора Р, так и разрешением Фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 11,Р, 30 Обе эти величины зависят от оптических характеристик сцинтилляционного детектора, Величина К тем меньше, т,е, разрешение ФЭУ тем лучше, чем выше световыход сцинтилляционного детектора, определяемый какр ф, (1)где- сцинтилляционная эффективность40л6 - коэффициент светособирания,показывающий, какая частьполного светового потокасцинтилляции попадает на Фотокатод. 45Величина К в значительной мере определяется обвемной неоднородностью световыхода детектора, т.е, Флуклтуациями величини. Зависимость величиныот координат сцинтилляции приводит к тому, что даже при однородном распределении сцинтилляционной эффективности сцинтилляции, вызванные в разных областях сцинтиллятора потоком моноэнергетического излучения, будут по разному облучать Фото- катод и вызывать на выходе ФЭУ импульсы различной амплитуды. Это обуславливает вклад неоднородности светособирания в энергетическое разрешение СБД.1Для получения хорошего энергетического разрешения необходимо создатьопределенные условия светособиранияв сцинтилляционном детекторе, чтобыкомпенсировать неоднородность световыхода, вызванную свойствами материала и геометрической формой сцинтиллятора.Известны способы обеспечения спектрометрических параметров СБД, основанные на выборе условий отражениясвета в сцинтилляционном детекторе.По условиям отражения света на поверхности сцинтилляторы принято делить на зеркальные и диффузные, Однако в реальных сцинтилляционных детекторах, как правило, имеет местосмешанное отражение, например поли-рованный сцинтиллятор окружают диффузной светоотражающей оболочкой,Обычно при изготовлении СБД на основе кристаллических сцинтилляторов,например 11 а,1 (Т 1) все поверхностисцинтиллятора, кроме выходной, матируют,Но и в этом случае отражение является не чисто диффузным (косинусным),а смешанным, так как всякий реальныйматовый отражатель характеризуетсяэффективной зеркальностью (блеском).Благодаря этому эффекту спектрометрические свойства матированных11сцинтилляторов с параметром1Воказываются лучше по сравнению с рассчитанными в предположении чисто, диффузного отражателя, Однако вклад зеркальной составляющей для матированных сцинти.пляторов практически невозможно проконтролировать, так как эффективная зеркальность является функцией угла падения света, т,е. зависит от координат сцинтилляции, и вносит свой вклад в неоднородностьсветособирания.Теоретический расчет оптимального состояния поверхностей сцинтиллятора для обеспечения хорошего разрешения СДБ сильно усложняется действием факторов, связанных со свойствами вещества сцинтиллятора (распределение активатора, дефекты структуры, примеси и пр,), Разброс свойств кристаллов, связанный с несовершенствами технологии их получения, настолько.велик, что. результаты расчета оказы5 10 15 20 25 ЗО 35 40 50 55 ваются практически неприменимыми к каждому образцу в отдельности. Это потребовало разработки способов выравнивания продольного распределения световыхода в сцинтилляционном детекторе как стадии технологического процесса производства СБД.1Известен способ улучшения спектрометрических свойств СБД, согласно которому компенсации продольной неоднородности световыхода достигают за счет уменьшения светособираиия из области с повышенным световыходом, изменяя условия отражения света боковой поверхностью сцинтиллятора,Для этого выбранный участок поверхности кристалла покрывают материалом с показателем преломления около 1,5. При этом увеличивается критический угол полного внутреннего отражения в кристалле (показатели преломления для кристаллов БаЛ (Т 1) и СвЗ (Иа) равны соответственно 1,85 и 1,79) и, следовательно, увеличивается доля светового потока, выходящего из кристалла через данный участок боковой поверхности, Предлагается также наносить покрытия с различными показателями преломления и многослойные покрытия, регулируя тем самым степень воздействия на тот или иной участок сцинтиллятора. 8 частности, в качестве материала покрытия используют эпоксидную смолу.Недостатком этого способа является неизбежное снижение среднего световыхода сцинтилляционного детектора.Наиболее близким к предложенному является сйособ улучшения спектрометрических свойств СБД, включающий выбор направления выхода света на фото- приемник и изменение условий отражения света путем матирования и полирования боковой поверхности сцинтилля" тора. Кольцевые участки боковой поверхности сцинтиллятора в области с повышенным световыходом полируют, а в области с более низким световыходом матируют. Известно, что характе" ристики сцинтилляторов с большим отношением Н/Э могут изменяться при изменении положения сцинтиллятора отно.сительно ФЭУ на противоположное. Поэтому с самого начала выбирается то положение сцинтиллятора, при котором СБД имеет наиболее высокие характеристики (световыход и разрешение), Кроме того, участки сцинтиллятора,где световыход высок, оснащают менееэффективным наружным отражателем,Применяют также смеси различных материалов отражателя, осуществляя такимобразом постепенное изменение коэффициента отражения вдоль оси сцинтиллятора. Ясно, что поскольку максимально эффективным отражателем можноснабдить в принципе любой участоксцинтиллятора, сущность способа заключается в подавлении светового сигнала из областей с высоким световыходом до уровня областей с низким световыходом, Это приводит к неизбежному снижению среднего световыхода, чтоявляется,существенным недостаткомописанного способа.Кроме того, покрытие хрупкогосцинтилляционного кристалла, напримерБаЗ (Т 1), твердым материалом ухудшаетэксплуа,ационные качества конструкцииСБД, ограничивая его применение в условиях воздействия механических иклиматических нагрузок,Следовательно, при таком способеосуществляется принцип: продольномураспределению световыхода сцинтиллятора противопоставляется искусственно созданное распределение эффективности отражения и поглощения светабоковой поверхностью сцинтиллятора иоболочкой.При подавлении световыхода определенной области кристалла (с цельюулучшения его однородности) возника"ет проблема соотношения локального иобщего воздействия. Действительно,при ухудшении отражения света на участке боковой поверхности прозрачногосциитиллятора в определенной мереуменьшается светособирание и из других областей. Чем больше общее воздействие по сравнению с локальными,тем слабее проявляется эффект выравнивания световыхода и тем большеуменьшается среднии световыход детектораВ любом случае побочным эффектомприменения таких способов оказывается уменьшение среднего световыходадетектора, что приводит к ухудшениюразрешения ФЭУ и, следовательно, общего разрешения СБД,Поэтому описанный способ может успешно применяться для не очень длинных сцинтилляторов, в которых продольная неоднородность световыходаотносительно невелика.Значительно развившаяся за последнее время технология получения и обработки кристаллов позволяет изготавливать кристаллические сцинтилляторы в широком диапазоне геометрических форм и размеров, в том числе исцинтилляторЪ с большим отношениемН/Э, обладающие высокой чувствительностью регистрации радиально палающего гамма-излучения на единицу площади сечения,Однако свойственная таким сцинтилляторам значительная продольная неод-.нородность световыхода и ограниченность известных способов ее устранения приводит к тому, что приборы наоснове таких сцинтилляторов имеютплохие спектрометрические характеристики, Разброс световыхода в такихсцинтилляторах сравним с его среднимзначением, В этих случаях известнь 1 еспособы компенсации продольной неоднородности световыхода оказываютсямало эффективными, поскольку эффектснижения световыхода превышает эФентего выравнивания.Цепь изобретения - улучшение энергетического разрешения СБД путем выравнивания продольного распределениясветовыхода без подавления световыхода отдельных областей сцинтиллятора.Это достигается тем, что при осуществлении известного способа улучшения спектрометрических свойств СБД,включаюцгего выбор направления выходасвета на Фотоприемник и изменение условий отражения света путем матирования и полирования боковой поверхности сцинтиллятора, регулируют величину продольного перепада световыходапутем чередования на боковой поверхности сцинтиллятора продольных матированных и полированных полос и изменяют в интервале от 0 до 1 долю Б/Бматированной или Б/К полированной поверхности к полной площади боковойповерхности Б , при этом контролируют величину продольного световыхода3са- си оптимальным считают таСкое отношение Б/Б при котором изСа СЯмеренная величина (") приниС .мает минимальное значение, где Б - площадь матированной или полированной части боковой по- верхности Б - площадь боковой поверхности;о. С - световыход при возбужденииаудаленной от йотоприемникаобласти сцинтиллятора,5световыход при возбужденииблизкой к фотоприемнику области сцинтиллятора;- среднее значение световыхода.Предпочтительное направление выхода света на фотоприемник определяют из условия, Са - СЕ ) ( Са - СВ )1 Пгде 1 и 11 - соответственно выбран-ное и противоположное направления выхода света на фотоприемник со стороны торцов. На боковой поверхности20 сцинтиллятора равномерно распределяют матированные и полированные участки, Эти участки представляют собойпродольные полосы, направленные отодного торца сцинтиллятора к другому.25 Изменяя соотношение площадей матированных и полированных участков, регулируют соотношение зеркальной идиййузной компонент отражения и света боковой поверхностью сцинтиллятоЭО ра и таким образом управляют продольным перепадом световыхода, сводя егок минимуму. ЭйФект предлагаемого способа состоит в том, что отношениезеркальной и дифФузионной компонентотражения, которое невозможно измерить непосредственно, заменяется пропорциональной ему величиной - отношением площадей полированной и матированной частей боковой поверхности,которое можно плавно изменять,Для сохранения азимутальной однородности полосы располагают симметрично относительно продольной осисцинтиллятора, При этом ширина полосматирования должна быть достаточнобольшой по сравнению с размером шероховатостей поверхности,Продольный перепад световыходаконтролируют путем измерения величины (Са - Су)/С,Оптимальным нужно считать такоесоотношение площадей полированных иматированных участков, при которомСа- Сьвеличина " принимает мини-55 Смальное значение.Алгебраическая величина (Са -С)/)0Б/Б = 1са - СЕ(О,Б /Бо оптимальное значение Б/Б лежит внутри интервала (0,1), В противном случае оптимальным считают значениеса-ся О )ОБ /Б =ОС " ф Би Бо т,е. боковую поверхность сцинтиллятора полностью матируют либо полностью полируют.Предлагаемый способ включает также использование факторов, связанных с веществом сцинтиллятора. Действие этих факторов проявляется в том, что при изменении положения сцинтиллятора относительно фотоприемника (направления выхода света) на противоположное изменяется величина (Сэ-С)/ /С,Н Для сцинтиллятора с)1 пред 0 ложен следуюций критерий выбора положения относительно Фотоприемника. Пусть 1 и 11 - соответственно два взаимно противоположных положения сцинтиллятора относительно фотоприемника. Предпочтение ртдается положению 1, если выполняется условиеС 3 - С ь" са- ск ( и ей )(м)1 - ГС . СТаким образом, предлагается новый критерий выбора направления выхода света на фотоприемник - алгебраическая величина продольного перепада световыхода. При этом первоначально измеренное энергетическое разрешение в выбранном положении может быть хуже, чем в противопоставленном, так как сначала выбирают положение сцинтиллятора, а затем уже выравнивают световыход. Однако для сцинтиллято-ч 909 10 50 55 5 10 15 за 25 30 35 40 ров с )1 описанный способ выравниНЭвания продольного распределения световыхода тем эффективнее, чем выше первоначальная алгебраическая величина (С д - С) /С, Поэтому при выборе направления выхода света по предлагаемому критерию, описанный способ обеспечивает максимальное улучшение спектрометрических характеристик.Преимуществом предлагаемого способа является возможность регулирования продольного перепада световыхода в широких пределах, обусловленная большим диапазоном изменения величины Б/Б,.Существенным отличием предлагаемого способа является .сохранение однородного состояния поверхности сцинтиллятора в направлении, в котором производится выравнивание распределения световыхода.Другим существенным отличием предлагаемого способа является то, что при выравнивании распределения свето- выхода не прибегают к подавлению световыхода отдельных областей сцинтиллятора, благодаря чему обеспечивается световыход, близкий к максимально возможному. Это обеспечивает улучшение энергетического разрешения прибора,Предлагаемый способ применен для сцинтилляционных кристаллов ИаЛ (Т 1) и СэЛ (Иа) цилиндрической формы с различными отношениями высоты к диаметру.На Фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа, на Фиг. 2, 3, 1 - графики зависимости световыхода от расстояния между зоной возбуждения и фотоприемником. Предлагаемый способ реализуетсяследующим образом. Полированный или матированныйкристалл 1 устанавливают на ФЭУ 2 при выходе света из основания "а" и производят измерение продольного распределения световыхода С(2) при облучении сцинтиллятора перпендикулярно его оси узким пучком гамма-излучения, где 2 - координата облучаемой зоны, изменяющаяся от 2 = О до 2 = Н, Выбор полированной или матированной поверхности кристалла для первоначальныхГ измерений закономерно определяется величиной отношения Н/Р, хотя бывают исключения. Чем больше Н/О, тем пред71почтительнее полирование, Аналогичнопроводится измерение продольного распределения световыхода С(2) при выходе света из основания нб". Если измеряется полированный кристалл, то выбирается основание, обеспечивающеевозрастающий ход зависимости С(Е).Затем путем симметричного нанесенияна кристалл матированных полос и измерения продольного перепада (С-С ) //С сводят его к минимальному значению, изменяя величину площади матированных полос 3 (см. Фиг, 1). Если измеряется матированный кристалл, чтовыбирается основание, обеспечивающееминимальное убывание зависимостиС(2), а затем аналогично на кристаллнаносятся полированные полосы и измеряется продольный перепад (С-СБ) IС,который сводят к минимальному знацению, увелицивая площадь полированныхполос 4 (см. фиг, 1),1П р и м е р 1. Берут кристаллСзд (Ба) диаметром 30 мм и высотой250 мм, зависимость С(2) для этогообразца с матированной и полированной боковой поверхностью показана наФиг. 2 - соответственно кривые 1 и11 (кривая 111 по известному способу). Из этих кривых видно, цто действительно при больших Н/В (в данномслучае более 8) целесообразно полирование всей боковой поверхности припервоначальных измерениях, так какдля выравнивания продольного перепада требуется оцень малая площадь матированных полос (174; 4 матированных полосы шириной 4 мм) - кривая 1 Чна Фиг. 2, При этом достигается практицески равномерное распределениесветовыхода при его среднем знацении, близком к максимальному. В результате применения предлагаемогоспособа достигается разрешение СБД,равное 131. При применении известного способа обеспечивается разрешение,равное 17,83. Кривая С(Е) для полученного детектора представлена наФиг. 2 (кривая 111),П р и м е р 2. Берут кристаллСвд (Иа) диаметром 35 мм и высотой250 мм. Измерения всей полированнойбоковой поверхности при выходе светаиз разлицных оснований показываютразличные зависимости С(Е) - кривые1 и 111 (см. Фиг. 3), В соответствиис изобретением выбирают положение,при котором С(Е) возрастает (кривая 4909 12111), Затем на боковую поверхностькристалла наносят продольные матированные полосы и, изменяя их площадь,контролируют велицину (Сд-СБ)/С. Приматировании 223 площади боковой поС - СЬверхности величина ( ) неСпревышает ошибки измерения (см, кривая 11 на фиг; 3), При этом обеспечивается разрешение, равной 11,93,П р и и е р 3, Берут два кристалла Над (Т 1) Размером 70 х 160 мм - об раэец 1 и размером 70250 мм - образец 2, Применяют предлагаемый спосод (см, Фиг. 4). Распределение С(Е) для образца 1 остается несколько убывающим даже при полировании всей боко 20 вой поверхности (площадь матированныхполос равна О, см. Фиг, 4, кривая 1).Это связано с индивидуальными свойствами образца 1, Однако и в этом случае применение предлагаемого способа 25 позволяет получать практически равномерное распределение световыхода и врезультате хорошее разрешение (9,1 Ф).Применение предлагаемого способа кобразцу 2 показало, цто оптимальные ЭО условия светособирания достигаютсяпри матировании 903 боковой поверхности (кривая 111 на фиг, 4), хотявысота его больше, цем образца 1 ииз теоретицеских соображений оптимальная зеркальность его боковой поверхности должна быть больше, Образец 2 имеет особенности, противоположные образцу 1, но и в этом случаеприменение предлагаемого способа позволило обеспецить высокую равномерность световыхода и хорошее разрешение (9,23),Из данных примеров видно, цто применение предлагаемого способа к различным реальным кристаллам с высотойв несколько раз большей диаметра(Н/Л1) практицески позволяет свести к нулю неравномерность световыхода по высоте и в результате обеспечить для таких сцинтилляторов разрешение, характерное для кристаллов сн = в (9-13 о).Следовательно, улучшение разрешения сцинтилляторов с большим отношением Н/Э до 9-133 позволит значительно увелицить цувствительность спектГрометров и эФФективность использования объема сцинтиллятора при малых диаметрах сцинтилляционных детекто/О 75 РР Составитель Т,ШаргановаТехред И.йоргентал Кор ор Т е тор И,Иуск гано та по изобретениЖ, Раушская щодписное и открытиям при ГКНТ ССС б., д. 11/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул рина, 101 1 З 71 ров, что в некоторых случаях, например при радиоактивном каротаже сква жин, имеет решающее значение и обес-; печивает значительный экономический эФФект (1-1,5 млн.руб. в год на одЗаказ 1088 Тираж ВНИИПИ Государственного комит113035, Моска 4909 14ной скважине). Кроме того, такие СБД находят широкое применение прн решении самых различных радиометрицеских