Датчик для рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором

 

Изобретение относится к устройствам для спектрометрии рентгеновского или излучения , включающих датчики на основе полупроводниковых детекторов излучения, охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников. Цель изобретения - увеличение временной стабильности энергетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы. Датчик содержит вакуумированную капсулу 1 с входным берилливым окном, внутри которой размещен термоэлектрический холодильник 4. На теплопоглощающих спаях холодильника расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6. Капсула снабжена герметичным корпусом 10с инертной средой и размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником 9. Капсула расположена на теплопоглощающих спаях холодильника и соединена с корпусом 10 посредством гибкой мембраны из материала с низкой теплопроводностью . 1 ил. со С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК. (5l)5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4753628/25 (22) 30.10,89 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Черновицкий государственный университ ет (72) Л.И.Анатычук, С.А.Витрюк, В.А.Костин, А.П.Мельник и К.О.Туткевич (53) 543.52 (088.8) (56) Вайгачев А.А. и др. Радиационная техника. Сборник, М., 1975, вып.11,с.306 — 309.

Авторское свидетельство СССР

ЛЬ 531401, кл. G 01 N 23/223, 1977, (54) ДАТЧИК ДЛЯ РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗАТОРА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ДЕТЕКТОРОМ (57) Изобретение относится к устройствам для спектрометрии рентгеновского или излучения, включающих датчики на основе полупроводниковых детекторов излучения, Изобретение относится к устройствам для спектрометрии рентгеновских или гамма-лучей, а конкретно к датчикам на основе полупроводниковых детекторов (П ПД) излучения, охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников, и может быть использовано в условиях полевых работ, связанных с ядерно-геофизическими измерениями, в частности в полевых и бортовых приборах для определения элементного состава проб геологических объектов.

Известен датчик для рентгенорадиометрического анализатора, содержащий полупроводниковый детектор и полевой транзистор головного каскада предусилителя, установленные на теплопоглощающих спаях термоэлектрического холодильника и помещенные в вакуумированную капсулу, имеющую входное бериллиевое окно и радиатор.

< > !. Ы < . 1 7 1 6409 А 1 охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников. Цель изобретения— увеличение временной стабильности энергетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы.

Датчик содержит вакуумированную капсулу

1 с входным берилливым окном, внутри которой размещен термоэлектрический холодильник 4. На теплопоглощающих спаях холодильника расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6.

Капсула снабжена герметичным корпусом

10 с инертной средой и размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником 9, Капсула расположена на теплопоглощающих спаях холодильника и соединена с корпусом 10 посредством гибкой мембраны из материала с низкой теплопроводностью. 1 ил.

Недостатком известного устройства я в-. ляются большая потребляемая мощность используемого охладителя (330-420 Вт), значительные габариты (160х165х232 мм), а также необходимость постоянной откачки вакуумированного объема. Эти недостатки обусловлены тем, что стенки вакуумированной капсулы, находящиеся при комнатной температуре, являются источником теплового излучения. В результате излучения радиационные теплопритоки создают большую тепловую нагрузку на теплопоглощающие спаи термоэлектрического охладителя (ТЭО), вынуждая увеличивать его холодопроизводительность. Наличие же в вакуумированном объеме мощного охладителя приводит к существенным газовыделениям, а следовательно, и к необходимости постоянной откачки вакуумированного объекта.

1716409

Наиболее близким к изобретению является датчик для рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором, содержащий вакуумированную капсулу с входным бериллиевым окном и размещенным в нем ТЭО, на теплопоглощающих спаях которого расположены детектор и полевой транзистор головного каскада предусилителя. ТЭО имеет два разветвления с различными наборами термоэлементов, обеспечивающих на одном разветвлении режим максимального охлаждения, а на другом — режим максимальной холодопроизводительности. На теплопоглощающем спае первого разветвления размещен детектор, на теплопоглощающем спае второго разветвления — ППД. Капсула помещена в корпус скважинного снаряда и герметично закрыта бериллиевым цилиндром.

Описанная конструкция датчика имеет следующие недостатки. Во-первых, радиатор, а следовательно, и корпус капсулы, имеющий температуру окружающей среды, при ее повышении являются источником теплового излучения на близкорасположенные теплопоглощающие спаи ТЭО, создавая на них значительную тепловую нагрузку. В результате мощность ТЭО, примененного в конструкции, равная примерно

15 Вт, при повышении температуры окружающей среды становится недостаточной для поддержания температуры ППД и полевого транзистора на требуемом уровне, Кроме того, примененный в описанной конструкции ТЭО вследствие сильно развитой поверхности является источником больших газовыделений и не позволяет поддержигЯ вать в рабочем объеме давление ниже 10 мм рт,ст. без постоянной откачки, Во-вторых, сложность конструкции с двумя разветвлениями, работающими в разных режимах, не позволяет применить при сборке высокотемпературные припои, а следовательно, провести достаточное обезгаживание. Указанные недостатки приводят к уменьшению временной стабильности энергетического разрешения, повышению эксплуатационных расходов.

Цель изобретения -увеличение временной стабильности энергетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы, Указанная цель достигается тем, что в датчике для рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором, содержащем вакуумированную капсулу с входным бериллиевым окном и размещенным в ней термоэлектрическим холодильником, на теплопоглащающих спа5

55 ях которого расположены детектор и полевой транзистор головного каскада предусилителя, капсула дополнительно снабжена герметичным корпусом с инертной средой и размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником, причем капсула расположена на теплопоглощающих спаях холодильника, соединена с корпусом посредством гибкой мембраны из нержавеющей стали, ковара или титана.

Дополнительное снабжение датчика герметичным корпусом с инертной средой снижает конвективные теплопритоки, приводящие к уменьшению нагрузки термоэлектрического холодильника, размещенного в корпусе, а тем самым позволяет максимально подохладить стенки капсулы и ее основание, а следовательно, и тепловыделяющий спай холодильника, размещенного внутри капсулы. Подохлаждение капсулы и тепловыделяющего спая ее ТЭО максимально снижает радиационные теплопритоки на теплопоглощающий спай и плату с детектором, что позволяет с помощью менее мощного (с менее развитой поверхностью) холодильника охладить ППД и полевой транзистор до требуемой температуры, при которой датчик имеет приемлемое для целей рентгенорадиометрического анализа энергетическое разрешение. 3а счет достижения стабильности температуры теплопоглощающего спая ТЭО с датчиком и ППД обеспечивается увеличение временной стабильности энергетического разрешения, Использование в капсуле холодильника с малой мощностью, небольшой боковой поверхностью и скоммутированного высокотемпературными припоями позволяет провести термовакуумное обезгаживание, гарантирующее длительную работу без постоянной или периодической откачки, а следовательноо, и уменьшение эксплуатационных расходов.

Применение мембраны из низкотеплопроводного материала позволяет уменьшить теплопритоки со стенок корпуса на крышку капсулы и сдемпфировать механические напряжения, возникающие при охлаждении элементов конструкции и обусловленные разницей в температурных коэффициентах расширения конструктивных материалов, и тем самым уберечь ТЭО от разрушения.

На чертеже представлен датчик, общий вид.

Датчик содержит вакуумированную капсулу 1 с входным бериллиевым окном 2, смонтированным на крышке 3, через которую осуществляется откачка и герметизация внутреннего объема капсулы 1, Внутри капсулы 1 расположен термоэлектрический

1716409 холодильник 4, на теплопоглощающих спаях которого расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6.

Холодильник 4 помещен в расположенный на основании капсулы 1 экран 7, на котором смонтированы титановые газопоглотители 8. Основание капсулы 1 припаяно к каскадному термоэлектрическому холодильнику 9 (бозовый холодильник), размещенномуу в герметичном корпусе 10.

Капсула 1 крепится к корпусу 10, внутренний объем которого откачан через штенгель

11 и заполнен инертным газом посредством гибкой мембраны 12. Базовый холодильник

9 в свою очередь припаян к радиатору 13, являющемуся основанием несущего корпуса 14, на котором смонтировано устройство

15 пробоподачи с радиоизотопным источником 16 и прободержателем 17. Питание холодильников 4 и 9, детектора 5 и вывод информации осуществляется через гермовводы 18 и 19, а связь с внешними устройствами — через герморазъем 20.

Предварительный усилитель смонтирован на плате 21 и расположен в корпусе 22.

Датчик работает следующим образом.

При подаче напряжения на базовый холодильник 9 его теплопоглощающий спай и основание капсулы 1 начинают охлаждаться, а следовательно, охлаждаются тепловыделяющий спай холодильника 4 и экран 7.

При достижении минимальной температуры охлаждения подается питание на холодильник 4, расположенный в вакуумированной капсуле 1, вакуум в которой поддерживается предварительно активированными титано выми газопоглотителями 8, в результате через 12 мин и температура охлаждения детектора

5 и полевого транзистора 6 достигает "

100 С.

Тепло с тепловыделяющих спаев холодильника 4 поглощается теплопоглощающими спаями базового холодильника 9, а тепло с тепловыделяющих спаев холодильника 9 отводится с помощью радиатора 13.

Кванты характеристического рентгеновского излучения, возбуждаемые в пробе (не показанаа), закрепленной в и рободержателе

17, под действием первичного излучения радиоизотопного источника 16 через бериллиевое окно 2 капсулы 1 попадают на полупроводниковый детектор 5 и, поглощаясь в его рабочем объеме, образуют электронно-дырочные пары, заряд которых пропорционален энергии поглощенного кванта. Перемещаясь под действием электрического поля, созданного в детекторе 5 внешним источником смещения (не показан), образованный заряд индуцирует во

55 внешней электрической цепи детектора 5 импульс, который усиливается полевым транзистором 6 и подается через гермовводы 18 и 19 на предварительный усилитель, смонтированный на плате 21, и далее через герморазъем 20 — к анализатору импульсов (не показан).

Согласно изобретению был изготовлен и испытан опытный образец датчика с полупроводниковым детектором и термоэлектрическим охлаждением.

Корпус датчика диаметром 110 мм и высотой 100 мм выполнен из нержавеющей стали. На корпусе смонтировано устройство пробоподачи диаметром 56 мм и высотой 50 мм.

Основным конструктивным элементом датчика является капсула, представляющая собой стеклянный цилиндр (стекло С-50-2) с гермовводами и коваровыми (29 НК-ВИ) основанием и крышкой. В экране из тонкого никелевого листа, к двум сторонам которого приварены два нераспыляемых титановых газопоглотителя ПНТ-2, расположен пятикаскадный микроохладитель мощностью 6

Вт. На теплопоглощающем спае ТЭО расположена поликорундовая плата, к которой припаяны Si(Li) детектор (if 7 мм, высотой 3 мм и полевой транзистор А-648. На плате же расположен пленочный резистор обратной связи. Откачка капсулы осуществляется специальным откачным устройством через отверстие в крышке для входного бериллиевого окна, а герметизация осуществляпасв бериллиевои пластиной с уплотнением индиевой проволокой ус 0,7 мм.

Вакуум в капсуле обеспечивается вакуумной технологией сборки и очистки ТЭО и составляет 10" мм рт,ст.

Металлостеклянная капсула припаяна на теплопоглащающий спай двухкаскадного базового ТЭО мощностью-70 Вт, охлаждающий тепловыделяющий спай ТЭО, находящегося в капсуле, до температуры — 40 С.

Миниатюрный шестиваттный ТЭО охлаждает плату с детектором и полевым транзистором до температуры — 100 С, Базовый ТЭО тепловыделяющим спаем припаян к радиатору, являющемуся основанием корпуса, внутренний объем которого заполнен ксеноном. Верхней частью корпуса служит тонкая (0,04 мм) гибкая гофрированная мембрана, вакуумплотно закрепленная по внешнему диаметру на стенках корпуса, а по внутреннему — на крышке капсулы.

Пенопластовый кожух, проложенный между корпусом датчика и несущим корпусом, на котором смонтированы устройство пробоподэчи и радиоизотопный источник, 1716409

71

13

22

Составитель Л,Аиатычук

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M,Ìàêñèìèøèíåö

Редактор М.Келемеш

Заказ 608 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 служит для дополнительной теплоизоляции корпуса.

Информационный сигнал с детектора через гермовводы поступает на предусилитель с резистивной обратной связью, расположен н ы и в общем корпусе.

Применение вакуумных конструктивных материалов для изготовления капсулы и элементов конструкции внутреннего объема (стекло, ковар, никель), сведенные к минимуму размеры T30 — основного источника газовыделения и специальная технология его изготовления и очистки, применение титановых газопоглотителей большой емкости позволяют поддерживать в капсуле вакуум 10 мм рт.ст. в течение 12 лет.

Испытания показали, что по сравнению с прототипом эксплуатационные расходы снизились в 3 — 5 раза; датчик обеспечивает и поддерживает значение энергетического разрешения 350 -10 эВ на линии К, 5,9 аь in кэВ в течение не менее 1 года.

Формула изобретения

Датчик для рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором, содержащий несущий корпус, основанием которого является радиатор, размещенную внутри несущего корпуса вакуумированную капсулу с расположен5 ным в ней термоэлектрическим холодильником, на теплопоглощающих спаях которого размещены детектор и полевой транзистор, отличающийся тем, что, с целью увеличения временной стабильности энер10 гетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы, между дном капсулы и радиатором размещен дополнительный термоэлектрический холодильник, тепловыделяющие спаи ко15 торого имеют тепловой контакт с радиатором, а теплопоглощающие спаи соединены с дном капсулы, при этом капсула с дополнительным холодильником размещены в дополнительном корпусе, ос20 нованием которого является радиатор, заполненном инертной средой, а крышка капсулы соединена с этим корпусом посредством гибкой мембраны, выполненной из материала с низкой

25 теплопроводностью.