Газовый сцинтилляционный счетчик электронов

 

ГАЗОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОНОЁ, содержащий герметично закрытый корпус с окнами, заполненный сцинтиллирующей газовой смесью из гелия и азота, фотоумножители , сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газовой сйеси, отличающийся тем, что, с целью увеличения временного разрешения и упрощения конструкции , . давление газовой смеси составляет

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 Т 1/205

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2,7

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬП ИЙ (21) 3664532/24-25 (22) 21. 11. 83 (46) 30.08.85. Бюл. Р 32 (72) В.С. Вартанов, Б.Г. Земсков и П.А. Александров (53) 539.172.433621.3.083(088.8) (56) 1. Swanson К.R., Spijkerman< Т.Т.

Analysis of thin Surface Jayers by

Fe Mossbaeur Backscatteriny Spectroscopy Т Appl Phys, 1970, ч. 41, 31553157.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ó 3493506, кл. G 01 Т 1/18, 1983.

„„SU„„1144506 A (54) (57) ГАЗОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ

СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий герметично закрытый корпус с окнами, заполненный сцинтиллирующей газовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и .вывода газовой смеси, отличающийся тем, что, с целью увеличения временного разрешения и упрощения конструкции,.давление газовой смеси составляет (0,20-0,25) х 10 Па, а кон5 центрация азота 10 — 10 мас. X.

1144506

Изобретение относится к области взаимодействия излучения с веществом и может быть использовано в ядерной и прикладной физике, при регистрации ядерного гамма-резонансного излучения, в частности в случаях, когда при ядерных переходах наряду с гамма-квантами испускаются электроны внутренней конверсии.

Известен детектор конверсионных и Оже-электронов, содержащий корпус, герметично закрытый крышкой, во вн ренней полости которого находится, газовая смесь, патрубок для ввода и вывода газа, катод и анод.

Электроны в таких детекторах регистрируются по ионизационному эффекту в газе, заполняющем детектор, в котором создано электрическ"е поле (lj, Однако использование таких детекторов имеет ряд принципиальных ограничений, связанных с тем, что энер- гетическое разрешение их ограничено величиной энергии ионообразования газа, которая для используемого в этом способе гелия составляет

42 эВ, а временное разрешение ограничено временем собирания электронно-ионной лавины, которое составляет несколько десятков микросекунд 30 (50 мкс) .

Наиболее близким техническим решением является газовый сцинтилляционный счетчик электронов, содержащий герметично закрытый корпус с ок- 35 нами, заполненный сцинтиллирующей газовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газовой смеси (2) .

В этом счетчике электрическое поле создается из условия, чтобы отношение его напряженности Г к давлению наполняющего газа Р было меньше энергии ионообразования W наполняющего 45 газа, но больше энергии возбуждения

j> газовых молекул, Концентрация примесной компоненты Nz составляет

0,1-1 мас. .

Электроны исследуемого образца, 50 ускоренные электрическим полем, взаимодействуют в основном с атомами гелия, вызывая либо ионизацию их, либо возбуждение. Возбужденные атомы наряду с первичными электронами пере- 55 дают энергию молекулам азота, вызывая их ионизацию. Образующиеся при этом электроны, ускоренные электрическим полем, вновь вступают во взаимодействие с молекулами и атомами газа. При больших потоках первичного излучения в регистрирующем объеме детектора образуется пространственный электрический заряд, уменьшающий амплитуду сигнала с детектора и, следовательно, ухудшающий энергетическое разрешение.

Наличие электрического поля в детекторе накладывает ограничения на его конструкцию и геометрию, обусловливая дополнительные требования к отсутствию неровностей на поверхности исследуемых образцов.

Однако принципиальным недостатком этого детектора является ограниченное временное разрешение, определяющееся временем собирания электронноионной лавины, которое составляет несколько десятков микросекунд (50 мкс).

Цель изобретения — увеличение временного. разрешения и упрощение конструкции.

Для этого в газовом сцинтилляционном счетчике электронов, содержащем герметично закрытый корпус с окнами, заполненный сцинтиллирующей газовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газо- вой смеси, давление газовой смеси составляет (0,20-0,25) х 10 Па а концентрация азота — 10 з — 10 мас, ..

-1

В предлагаемом счетчике уменьшение удаления смеси от 1 10 В Па до

I (0,20-0,25) ° 10 Па приводит к увели-, чению яркости спектральных линий гелия и возмбжности устранения электри-. ческого поля.

Устранение электрического поля избавляет от образования электронно-ионных лавин и сокращает длительность светового импульса от 50 мкс до 190 нс в чистом Не, а добавка 0,001-0,0601 мас. . азота сокращает длительность его со 190 нс до 90 нс и увеличивает эффективность регистрации за счет увеличения яркости азотных линий в спектре излу.чения газовой смеси.

При добавлении к гелию небольших количеств азота в спектре излучения смеси помимо линий, соответствующих

/ оптическим переходам гелия 3 P 2 S

4 D †> 2 P 3 Р-з2З S, появляются первая отрицательная система полос моле1144506

I кулярного иона азота N», интенсивность которой очень высока, и вторая положительная система полос молекулярного азота, интенсивность которой несколько ниже. Первая отрицательная система полос азота N, появляется в результате реакций Н + NzN (3 ) +Не+He и Не+ N N (X ) +

2 м 2 2 ч

+ Не + е и последующего снятия возбуждения

N>(X )+ Ил(а2 ) + Ь о

Она состоит из трех линий, и энерге-. тическая щель между состояниями и X, =-3 5 эВ.

Вторая положительная система полос азота появляется в результате реакций

Не (г2 ) + N - И (Сзll) + 2Не

f0

Энергия, необходимая для возбуждения азота на уровень (0,0) второй положительной системы С П, составляет

10,98 эВ. Это значительно меньше, чем необходимо для получения первого воз.бужденного состояния гелия, поэтому, несмотря на малое количество азота, интенсивность второй положительной системы полос сравнима с суммарной интенсивностью оптических. переходов З0

НЕ, Необходимым условием для детектирования электронов с. энергией 110 кэВ является концентрация азота в смеси — 0,001-0,00017 и давления 35 смеси (0,2-0,25) 10 Па. При этом длительность основной компоненты светового импульса составляет 90 нс.

При увеличении концентрации азота снижается интенсивность гелиевых ли- 40 ний в спектре, а при концентрации азота больше 0,15Х они практически не различимы, что объясняется снижением вероятности оптических..переходов гелия за счет взаимодействия его 45 с молекулами азота.

При увеличении концентрации азота выше 0,001Х возрастает -вероятность

+ столкновений молекулярного иона М с молекулами азота в основном состоя- 50 нии, вследствие чего резко снижается интенсивность первой отрицательной системы. полос N+. Интенсивность втоz„ рой положительной системы полос сни жается более плавно. Ее уменьшение 55 вызвано тем, что снижается скорость реакций из-за уменьшения количества молекул Не», находящихся в-»,+, состоянии. Таким образом, при концентрации азота выше 0,05-0, 17 интенсивность вспышки становится более чем в 20 раз ниже, чем при концентрации 0,0017, и она становится практически неразличимой..

При уменьшении концентрации азота ниже 0,00017,. интенсивность первой отрицательной системы полос уменьшается более плавно, но резко падает вклад от второй положительной системы полос, так как уменьшается вероятность захвата электронов молекулами азота. При уменьшении концентрации азота до 0,000017., суммарная интенсив. ность импульса снижается более чем в 3 раза.

Зависимость спектральных линий от давления вызвана.тем, что помимовзаимодействия с молекулами азота с л образбванием молекулярных ионов N атомы и молекулы гелия могут снимать возбуждение в реакциях типа

4. + + +

Не + Не-+11е + е и Не + He He+ lie

Кроме того, в газе весьма существеннымп будут процессы рекомбинации Nq(Е) + е- 11 + N и Не + е-

Не + Не" .

Поскольку время "жизни" излучающего состояния мало (1О с), то

7 при увеличении давления смеси возбужденный атом испытывает большее число столкновений с атомами НЕ и снижается как вероятность оптических переходов, а следовательно, и интенсивность гелиевых линий, так и вероятность передачи возбуждения молекул N> путем зарядового обмена.

При уменьшении давления ниже 0,2 атм падает световыход смеси, поскольку уменьшается общее .количество излучающих атомов и молекул.

При уменьшении давления смеси ниже 0,2 10 Па резко увеличивается

S длительность импульса, что связано с тем, что при уменьшении общего количества атомов вероятность переходов между уровнями, имеющими одно и то же квантовое число;становится больше прямых или ступенчатых переходов (вертикальных), и ™скатывание" энергии возбуждения по уровням

2 P - 2 Р— 2 S — 2 S резко удли I няет импульс, так как время "жизни" каждо о из этих состояний меньше длительности вспышки, т.е. уменьше1144506

Давление, 10 Па

0,2-0,25 0,5

0 05

450

150

, нс

Д,%

-Ч

10 -10, нс

450

230

150

100

10

180 250

500 нс

2, %

30-50

1 и мкс

180

% ние давления ниже 0,2" 10 Па огранйчено длительностью импульса, а увеличение его выше 0,25 10 Паинтенсивностью линий.

При использовании газовой смеси укаэанного состава и .в указанном ,диапазоне давлений приложение электрического ноля не дает .увеличения интенсивности спектра излучения газовой смеси, как в обычных газонаполненных детекторах, а частично (до 510%) даже уменьшает ее. Это можно объяснить тем,что молекулярный ион . азота, притягиваясь к отрицательному электроду, перестает участвовать в ! процессе излучения и ослабляется самая интенсивная линия спектра.

Поскольку отпадает необходимость использования электрического поля, снимаются ограничения на геометрию

Содержание И, мас.7

Данные таблицы свидетельствуют, что необходимым условием для детектирования электронов с минимальной длительностью импульса является давление смеси (0,20-0,25) " 10 Па и концентрация азота 10- †. 10 + мас.%.

На чертеже схематически изображен предлагаемый счетчик.

Счетчик содержит. корпус 1 с крышкой 2, герметичность закрывания которой обеспечивается вакуумными уплотнениями 3. Корпус и крышка имеют прозрачные для гамма-иэлучесчетчика и на качество поверхности исследуемого образца, помещаемого в,счетчик. Исчезает пространственный заряд, снижающий энергетическое разрешение и эффективность регистрации.

В предлагаемом счетчике почти на три порядка увеличивается быстродей1О ствие (при том же энергетическом разрешении), кроме того, электроны с энергиями в диапазоне 0,5-100 кэВ регистрируются нри помощи первичных сцинтилляций, позволяюших существенно

15 увеличить временное разрешение.

В таблице приведены сравнительные данные по интенсивности светового импульса . (3) и длительности (2)

2О его для гелиевых смесей различных составов и различных давлений. ния окна 4, расположенные на одной оси. На внутреннюю сторону крышки крепится исследуемый образец 5. Боковые стенки счетчика снабжены окнами 6, прозрачными для видимого света и ближнего, ультрафиолетового.

Корпус счетчика снабжен патрубками

7 для откачки и заполнения газом.

Ядерное гамма-резонансное излуче5З -ние попадает в счетчик от мессбауэровского источника 8.

Счетчик работает следующим образом.

1144506

Составитель В.Филимонов

Редактор С. Титова Техред Т.Фанта Корректор С. Шекмар

Заказ 5774/4 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Резонансные гамма-кванты прохо дят от источника 8 сквозь входное окно 4, попадают в исследуемый обра зец 5, содержащий резонансные ядра, и возбуждают их. При высвечивании энергии возбуждения появляются конверсионные Оже-электроны, которые, вылетев из образца, сталкиваются с молекулами газа, заполйяющего счетчик, и переводят их в возбужденное . состояние. Энергия возбуждения либо высвечивается молекулами гелия, либо ! в результате столкновений между Не и N молекулами М или молекуляр-.

+ ными ионами Л. представляется в виде световых вспышек, которые регистри.руются фотоумножителями, просматривающими объем счетчика сквозь окна .;6. -Газ поступает в счетчик из резервуара через патрубок 7.

Предлагаемый счетчик благодаря высокому временному и энергетическому разрешению и сохранению эффективности регистрации при наблюдении

10 мессбауэровских спектров в геометрии рассеяния проводит селектирование поверхностных слоев с точностью

50-100 А и регистрирует процессы с длительностью в несколько микросе15 кунд,происходящие в этих слоях, причем образец может иметь произ вольную геометрическую форму.