19 мая 2021 года Объединенным институтом ядерных исследований получен патент на новую конструкцию сцинтилляционного детектора. Изменив традиционную конструкцию, ученые ОИЯИ добились высокой технологичности изготовления и сборки детекторов. По словам авторов, техническим результатом этого станет повышение точности пространственных измерений для больших площадей детектирования.

Авторы изобретения: Афанасьев Сергей Владимирович, Бояринцев Андрей Юрьевич, Голунов Александр Олегович, Голутвин Игорь Анатольевич, Горбунов Николай Васильевич, Гринев Борис Викторович, Ершов Юрий Владимирович, Малахов Александр Иванович, Смирнов Виталий Анатольевич, Сухов Евгений Викторович, Устинов Валентин Валерьевич.

Изобретение относится к области техники детектирования ионизирующего излучения при помощи сцинтилляционных сегментированных детекторных модулей (детекторов) и может быть применено в различных ее отраслях:

• 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.

В настоящее время большое распространение получили сцинтилляционные детекторы на основе отдельных сцинтилляционных ячеек, собранных в модули. Сборка модулей осуществляется из отдельных сцинтилляционных ячеек, как правило, квадратной формы со стороной 20-30 мм и толщиной 3-5 мм, с нанесенным отражающим покрытием или обернутых светоотражающим материалом, последовательно поэлементно совмещенных 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, вокруг сцинтиллятора. Для качественной упаковки сцинтилляционных ячеек в светоотражающий материал (пленку) требуется роботизированное упаковочное оборудование аналогичное оборудованию конфетных фабрик. Для установки обернутых ячеек на печатные платы также 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;

Монолитный сцинтилляционный блок

• все точности взаимного расположения частей детектора достигаются 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.

Сцинтилляционные модули

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.