Исследовательская группа Объединенного института ядерных исследований получила патент на новую конструкцию сцинтилляционного детектора. Она повысит точность пространственных измерений для больших площадей детектирования.
Авторы изобретения: Сергей Владимирович Афанасьев, Андрей Юрьевич Бояринцев, Александр Олегович Голунов, Игорь Анатольевич Голутвин, Николай Васильевич Горбунов, Борис Викторович Гринев, Юрий Владимирович Ершов, Александр Иванович Малахов, Виталий Анатольевич Смирнов, Евгений Викторович Сухов, Валентин Валерьевич Устинов.
Изменив традиционную конструкцию, ученые добились высокой технологичности изготовления и сборки детекторов.
Изобретение относится к области техники детектирования ионизирующего излучения при помощи сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей (детекторов) и может быть применено:
- в медицинской технике, в частности, в позитронной эмиссионной томографии, однофотонной эмиссионной компьютерной томографии, масс-спектроскопии и высокоэффективной жидкостной хроматографии;
- в системах интроскопии для дистанционного досмотра;
- в физике высоких энергий, например, в сцинтилляционных детекторах для экспериментов на линейных ускорителях и коллайдерах.
Сейчас большое распространение получили сцинтилляционные детекторы на основе отдельных сцинтилляционных ячеек, собранных в модули. Модули собираются из отдельных сцинтилляционных ячеек преимущественно квадратной формы со стороной 20 – 30 мм и толщиной 3 – 5 мм. На каждую из ячеек нанесено отражающие покрытие или ячейки обернуты светоотражающим материалом. Все ячейки поэлементно совмещены с кремниевыми фотоприемниками.
Технические характеристики таких детекторов существенно зависят от того, как сцинтилляционные ячейки с лунками и фотоприемники собраны в детекторе, а также от характеристик светоотражающих поверхностей ячеек.
Для качественной упаковки сцинтилляционных ячеек в светоотражающий материал (пленку) требуется роботизированное упаковочное оборудование, аналогичное оборудованию конфетных фабрик. Для установки обернутых ячеек на печатные платы обычно используют робототехнику. Все это и дорого, и может быть реализовано только для крупносерийного производства.
Авторы изобретения решили изменить традиционный подход к конструкции сцинтилляционного детектора. Вместо набора единичных ячеек применяется монолитная конструкция сцинтилляционного блока, имеющего ячеистую структуру, образованную с помощью светоотражающих разделителей по периметру ячеек внутри блока и обкладываемого с двух сторон листами отражателя.
Точность взаимного расположения частей детектора достигается при изготовлении составных частей и деталей на универсальных станках с ЧПУ.
Сборка модуля сводится к простому аккуратному свинчиванию составных частей.
В предложенном коллективом авторов детекторе для сбора света используются кремниевые фотоприемники (SiPMs), расположенные на печатной плате.
Массив единичных сцинтилляционных ячеек с лунками для сбора света выполнен в виде монолитного блока. Блок изготовлен из цельного листа сцинтиллятора.
Специальная технология изготовления сцинтилляционных блоков отработана в ИСМА Харьков. Она позволяет сделать ячейки любой геометрической формы путем прорезания канавок по периметру ячеек и последующим заполнением их материалом со светоотражающим свойством.
Отражатели выполнены в виде двух отдельных листов отражающего материала ESR.
Отражатель для поверхности блока с лунками имеет отверстия для прохождения света, сфокусированного в лунках в направлении парных им фотоприемников. Второй отражатель делается сплошным.
Сцинтилляционный блок, печатная плата с массивом кремниевых фотоприемников, светоотражающие экраны и крышка детекторного модуля имеют базовые отверстия для точного совмещения компонентов детектора крепежными элементами при сборке.
В результате авторами создан модуль, который кроме необходимых параметров обладает высокой технологичностью при изготовлении и сборке. При этом, технология изготовления такова, что позволяет с легкостью изготовить любое количество модулей, от нескольких штук до сотен и тысяч.
Ячеистая конструкция сцинтиллятора модуля дает возможность регистрировать частицы с созданием образа взаимодействия в трехмерном пространстве, а монолитность всей конструкции позволяет достигнуть позиционирования всех слоев детектора с прецизионной точностью. В частности, такие детекторы перспективны для спектрометров комплекса NICA. Продольная и поперечная сегментация детекторов на основе изобретения позволяет эффективно разделять нейтроны и гамма кванты без ухудшения энергетического и временного разрешения.