П.В. Белоусов, В.Ф. Ельцин, М.Г. Ермак, Г.Е. Скакун, А.В. Тимофеев, А.К. Чураков
ООО НИПП «Грин Стар Инструментс», г. Москва, Россия

Каждый новый этап в развитии ядерной физики сопровождается усовершенствованием старых и созданием новых методов и приборов для регистрации и исследования ионизирующих излучений. Работа блоков детектирования ионизирующих излучений (далее - БД) базируется на принципах взаимодействия излучения с веществом и преобразовании излучения в параметры генерируемых электрических сигналов.
Самыми распространенными спектрометрическими БД являются 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 фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) классический (стеклянная колба с вакуумом) или вариант исполнения – 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 (см. таблицу 1).
Таблица 1. Основные характеристики некоторых неорганических сцинтилляторов



Для разработки БД повышенной чувствительности при детектировании гамма-излучения использовались сцинтилляционные детекторы из алюмоиттриевого перовскита YAlO3(Ce) (YAP-кристалл). YAP-кристалл имеет постоянную времени высвечивания 27 нс, что позволяет получить сигнал с временем нарастания 20-30 нс и временем спада ~ 150 нс и соответственно значительно увеличить быстродействие системы относительно широко используемых кристаллов из NaJ(Tl) и CsJ(Tl). «Пропускная» характеристика спектрометрического тракта с БД на базе YAP-кристалла изображены на рисунке 1. БД используются при производстве гамма – интроскопов, работающих в жестких радиационных полях (входная загрузка до 2,5•10⁶ с^-1).



Кристаллы ортогерманата висмута Be4G3O12 (BGO) обладают по сравнению с NaJ(Tl), более высокой поглощающей способностью, что позволяет значительно снизить объем детектора. Кроме того, этот сцинтиллятор имеет малую чувствительность к нейтронам, что оказывается удобным при измерении гамма - излучения в смешанных полях. Существенный недостаток этого сцинтиллятора – низкий световой выход. Для кристаллов BGO получено энергетическое разрешение до 9,5 %. БД с кристаллами BGO использованы в переносном комплексе СКС-14П «Шелеспер», предназначенном для идентификации опасных веществ в объекте наносекундным нейтронным методом анализа.
Еще один из перспективных сцинтилляционных материалов - LYSO (Lu1,8Y0,2SiO5:Ce). Этот материал имеет сходные с BGO характеристики по энергетическому разрешению (от 7 % до 11 % на энергии 662 кэВ). Плотность и эффективный атомный номер кристаллов LYSO также близки к характеристикам кристаллов BGO и, соответственно, кристаллы LYSO имеют близкую, хотя и несколько большую, эффективность регистрации с кристаллами BGO. Отличительной особенностью кристаллов LYSO по сравнению с NaJ(Tl) и BGO является существенно меньший температурный коэффициент светового выхода (0,04 %/оС), что является важным при использовании детекторов, работающих в разных условиях окружающей среды, поскольку позволяет получить гораздо более стабильную энергетическую шкалу системы. Основным преимуществом кристаллов LYSO по сравнению с традиционными кристаллами NaJ(Tl) и BGO является существенно меньшая постоянная времени спада светового импульса – 40 нс по сравнению с 250 и 300 нс, соответственно. Это позволяет сформировать существенно более короткий импульс на выходе детектора. Основной недостаток кристаллов LYSO – высокая собственная радиоактивность, обусловленная изотопом ¹⁷⁶Lu.
На рис. 2 представлен график зависимости пропускной способности спектрометрического тракта ГП «Грин Стар» с сцинтилляционными детекторами на базе кристаллов LYSO и BGO без использования DL - преобразователя и с использованием DL – преобразователя, применяющегося для увеличения пропускной способности спектрометрического тракта.
При использовании кристалла LYSO удалось сформировать сигнал длительностью 120 нс, что позволило получить гораздо более производительные спектрометрические блоки детектирования ГП «Грин Стар», способные работать до входных загрузок 10⁷ имп/с, и имеющие пропускную способность около 1,5•10⁶ имп/с. При использовании кристалла BGO пропускная способность спектрометрического тракта около 3,5•10⁵ имп/с.



При световыходе большем световыхода NaJ(Tl), кристаллы галогенида лантана допированные церием LaBr3(Ce) обладают гораздо более высоким энергетическим разрешением и коротким временем высвечивания, 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 среднее энергетическое разрешение для 662 кэВ изотопа 137Cs составляет ~3,2% и световыход превышающий световыход NaJ(Tl). 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. К их достоинствам относятся короткое время высвечивания (менее 10 нс), позволяющее выполнять блоки детектирования, работающие при больших загрузках, а также эффективно выделять случаи одновременного воздействия на детекторы двух частиц или квантов, высокий световой выход при сцинтилляции. Важные свойства органических сцинтилляторов – возможность изменения состава, гибкость при выполнении детекторов различного объема и формы использованы для изготовления цифрового интроскопа на базе многопиксельного матричного детектора с органическим сцинтиллятором СЦ-301 из полистирола (ИФВЭ) с вклеенным оптоволокном.
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 кремниевыми фотоэлектронными умножителями серии Array Ирландской компании SensL. Матрица Array представляет собой твердотельный массив, установленный в низкопрофильный керамический или стальной корпус. Считывание информации с матрицы осуществляется через контакты, посредством которых подложка соединяется с печатной платой (см. рис.3). Благодаря компактным габаритным размерам и низкому профилю (около 10 мм включая контакты) матрица Array интегрирована в БД, имеющий предельно малые размеры. Встроенный в матрицу цифровой датчик температуры снимает показания с точностью ± 0.1 °C, позволяя внутренней электронике с высокой точностью компенсировать значения коэффициента усиления кремниевых ФЭУ при изменении температуры на поверхности детекторной матрицы. Механически прочная и безопасная в обращении матрица Array работает от низковольтного напряжения менее 30 В, исключая необходимость изготовления высоковольтного питания. Матрица не чувствительна к магнитным полям с напряженностью до 7 Тл. Основные характеристики матрицы:
- 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.



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.