ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ БЛОКОВ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ГП «ГРИН СТАР»

Каждый новый этап в развитии ядерной физики сопровождается усовершенствованием старых и созданием новых методов и приборов для регистрации и исследования ионизирующих излучений

Самые распространенные БД -сцинтилляционные. В сцинтилляционных БД вторичные электроны возникают при взаимодействии ионизирующих излучений с сцинтиллятором (твердым или жидким веществом). Световая вспышка преобразуется в электрический импульс с помощью ФЭУ: классической (стеклянная колба с вакуумом) или– твердотельный, кремниевый. В состав БД входит узел включения ФЭУ с резисторным делителем, либо новая разработка – активный делитель с цифровой АЦП и интерфейсным модулем

Рассмотрим несколько новых видов неорганических сцинтилляторов, с которыми сотрудники ГП «Грин Стар» разрабатывали спектрометрические БД: YAP, BGO, LYSO, LaBr

Для детектирования гамма-излучения при максимальных входных загрузках использовались сцинтилляционные кристаллы из алюмоиттриевого перовскита (YAP- кристалл). YAP-кристалл имеет постоянную времени высвечивания 27 нс, что позволяет получить сигнал с временем нарастания нс и временем спада ~ 150 нс и соответственно значительно увеличить быстродействие системы относительно широко используемых кристаллов из NaJ(Tl) и CsJ(Tl). БД с линейкой YAP-кристаллов используются в Грин Стар при производстве гамма – интроскопов, работающих в жестких радиационных полях (входная загрузка до 2,510 6 с- 1 ).

Кристаллы ортогерманата висмута BGO обладают по сравнению с NaJ(Tl), более высокой поглощающей способностью, что позволяет значительно снизить объем детектора (плотность 2:1). Кроме того, этот сцинтиллятор имеет малую чувствительность к нейтронам, что оказывается удобным при измерении гамма - излучения в смешанных полях. Существенный недостаток – низкий световой выход. Для кристаллов BGO получено энергетическое разрешение от 9,5 до 12%. БД с кристаллами BGO используются в переносном комплексе СКС-14П «Шелеспер», предназначенном для идентификации опасных, в том числе взрывчатых веществ в объекте наносекундным нейтронным методом анализа

Еще один из перспективных сцинтилляционных материалов - LYSO. Он имеет сходные с BGO характеристики по энергетическому разрешению (от 7 % до 11 %). Плотность и эффективный атомный номер кристаллов LYSO также близки к BGO и, соответственно, кристаллы LYSO имеют близкую, хотя и несколько большую, эффективность регистрации от BGO. Отличительной особенностью кристаллов LYSO по сравнению с NaJ(Tl) и BGO является существенно меньший температурный коэффициент (0,04 %/оС), что является важным при использовании детекторов, работающих в разных климатических условиях. Основным преимуществом LYSO является существенно меньшая постоянная времени спада светового импульса – 40 нс. Это позволяет сформировать существенно более короткий импульс на выходе детектора. Основной недостаток кристаллов LYSO – высокая собственная радиоактивность, обусловленная изотопом 176Lu.

При световыходе большем световыхода NaJ(Tl), кристаллы галогенида лантана LaBr3(Ce) обладают гораздо более высоким энергетическим разрешением (от 2,5 до 3,5 %) и коротким временем высвечивания 26 нс, что привлекает к ним большой интерес. Однако трудности, связанные с характерным радиоактивным загрязнением месторождений лантаноидов и сильной анизотропией температурного коэффициента линейного расширения, приводят к сложным технологиям и высокой стоимости продукции. Для бромида лантана световыход превышающий световыход NaJ(Tl) 130/100. На базе кристаллов LaBr3(Ce) производятся блоки детектирования, обладающие уникальными свойствами для класса сцинтилляционных детекторов.

Органические сцинтилляторы – как пластические, так и жидкостные – по прежнему оказываются предпочтительными при решении многих задач радиационных измерений. Достоинства: короткое время высвечивания (менее 10 нс), позволяющее работать при больших импульсных загрузках, высокий световой выход при сцинтилляции, возможность изменения состава, объема и формы.

На базе жидкостного органического сцинтиллятора в ГП «Грин Стар» разработано устройство детектирования УДБТ-003, предназначенное для регистрации альфа, бета- излучающих радионуклидов в счетных образцах, представляющих собой смесь исследуемого раствора и жидкого сцинтиллятора. Эффективность регистрации бета- излучающих радионуклидов 3Н 38 %, 14С 98 % и 90Sr/90Y 99 %.

Одно из новых направлений ГП «Грин Стар» - создание БД с твердотельными Si ФЭУ серии Array Ирландской компании SensL. Si ФЭУ Array представляет собой твердотельный массив, установленный в низкопрофильный керамический или стальной корпус. Считывание информации с Si ФЭУ осуществляется через контакты, посредством которых подложка соединяется с печатной платой. Благодаря компактным габаритным размерам и низкому профилю (около 10 мм включая контакты) Si ФЭУ Array интегрирована в БД, имеющий предельно малые размеры.

Встроенный в Si ФЭУ цифровой датчик температуры снимает показания с точностью ± 0.1 °C, позволяя внутренней электронике с высокой точностью компенсировать значения коэффициента усиления Si ФЭУ при изменении температуры на поверхности детекторной матрицы. Si ФЭУ работает от низковольтного напряжения менее 30 В, исключая необходимость изготовления высоковольтного питания. Si ФЭУ не чувствителен к магнитным полям с напряженностью до 7 тесла.

Основные характеристики Si ФЭУ : -эффективность регистрации фотонов при 420 нм более 40%; -- температурная зависимость менее 20 мВ/°C; -- различные конфигурации (одноканальные и многоканальные матрицы); - относительно низкая стоимость при серийных заказах менее 20 евро/шт.

Разработка ГП «Грин Стар» – БД с активным делителем, процессором импульсных сигналов и интерфейсным модулем посредством USB или RS

Перспективное направление - создании новых цифровых БД, имеющих внутреннюю спектрометрическую программу в операционной системе Linux. Цифровой БД имеет дополнительно к сцинтиблоку усилитель предварительного сигнала, процессор импульсных сигналов и узел интерфейса. Связь с цифровым БД осуществляется по проводной сети Ethernet, через USB порт или канал связи RS485/232, а также может комплектоваться модулем для беспроводной связи WiFi.

Всё управление цифровым БД проводится через браузер с компьютера, смартфона или планшетного компьютера, подключенного к локальной или глобальной сети. Предусмотрено несколько уровней доступа к просмотру и настройке цифровым БД. В БД могут быть установлены программы для обработки спектров, планирования измерений и любые другие программы по техническому заданию заказчика.

Области применения сцинтилляционных спектрометрических БД Грин Стар: … исследования в атмосферной оболочке Земли и космических объектов…

…гидросфера и поверхности дна океанов…

погружные блоки…

состав одного из блоков…

Результаты использования…

…исследования поверхности Земли…

…использование сцинтилляционных БД при контроле подземных хранилищ отходов (паспортизаторы ТРО)

Таблица 1. Сцинтилляционные БД в СКС-08П-Г «КОЛИБРИ» версия УС-005 с новым интерфейсом Новый процессор + новая «прошивка» + новая «прошивка» + новый программист = новый программист = новый спектрометр новый спектрометр

Таблица 1. USB- СПЕКТРОМЕТР УСТРОЙСТВО СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ УС-006

Спектр Cs-137 и Co-60 на детекторе с кристаллом LaBr, подключенным к УС-005

Таблица 1. Сцинтилляционные БД в программно-аналитическом комплексе для сканирования зоны реактора и специального технологического оборудования по мощности дозы гамма-излучения, плотности потока быстрых и тепловых нейтронов, а также по составу радиоактивных изотопов

Комплекс «Шелеспер»

Состав установки: 1. Блок детектирования (БД) 2. Базовый блок (ББ) 3. Блок обработки (БО) (защищенный ноутбук со специализированным программным обеспечением) 4. Комплект соединительных кабелей Комплекс спектрометрической аппаратуры осуществляет регистрацию и спектрометрию гамма излучения и регистрацию нейтронного излучения с целью получения информации о радионуклидном составе вещества, степени обогащения делящихся материалов, таких как U- 235, Pu-239

При окончании набора или запуске анализа происходит идентификация радионуклидов

Москва 2004 Спасибо за внимание! (499) (499) Список соисполнителей: А.Ю.Казеннов, О.Е.Кикнадзе НИЦ «Курчатовский институт»; А.О. Павлюк ФГУП «СХК»; Малиновский С.В., Каширин И.А., Ермаков А.И., Тихомиров В.А., Соболев А.И. ГУП Мос НПО «Радон» ГУП Мос НПО «Радон»