Газовый электролюминесцентный детектор

 

Назначение: регистрация ионизирующих излучений. Сущность изобретения: в газовом электролюминесцентном детекторе фокусирующий электрод, расположенный в зоне поглощения, выполнен в виде полого цилиндра высотой hф и внутренним диаметром dф, превышающий диаметр dвх входного окна, из материала, имеющего малый атомный номер. Второй сеточный электрод, образующий с первым сеточным электродом, установленным в средней части внутреннего объема детектора, зону электролюминесценции, размещен на внутренней поверхности выходного окна диаметра dвых и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние Rx от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на расстоянии Hx от входного окна, задаваемом соотношением HфHxHд, где Hд - высота детектора и Hф = hф + ; - зазор между фокусирующим электродом и входным окном, определяется из условия и монотонно убывает по мере уменьшения значения Hx, что обуславливает конусообразную форму этой части корпуса. Это позволяет улучшить рабочие характеристики и условия эксплуатации детектора. 1 ил.

Изобретение относится к рентгеновскому и ядерному приборостроению и может быть использовано в технике измерения и регистрации ионизирующих излучений.

Известен газовый сцинцилляционный пропорциональный счетчик [1] содержащий керамический корпус, имеющий коническую и цилиндрическую части, входное бериллиевое окно и выходное окно из материала "супрасил", присоединенные к торцам корпуса, причем бериллиевое входное окно присоединено к большему торцу конической части, а выходное к торцу цилиндрической части корпуса, систему кольцевых фокусирующих электродов в конической части корпуса, плоскости которых перпендикулярны оси корпуса, два сеточных сферических и один плоский электроды, образующие между собой зону сцинтилляции, а в пространстве до входного окна зону поглощения.

Конструкция имеет следующие недостатки.

Наличие сеток сферической формы, что ограничивает зону люминесценции и резко усложняет конструкцию детектора, т.к. требуются чрезвычайно точные их формообразование, ориентация и фиксация в корпусе детектора. В конечном счете это чрезмерно усложняет конструкцию и технологию изготовления детектора, что ухудшает его эксплуатационные характеристики.

Применение клеевых соединений при посадке входного и выходного окон приводит к загрязнению рабочего газа компонентами клеев, что резко снижает ресурс работы детектора и обуславливает необходимость подключения достаточно сложной системы очистки газа.

Искажение итогового информационного сигнала, снимаемого с детектора вследствие вторичного характеристического излучения, которое генерируется на открытых для падающего излучения внутренних поверхностях керамического корпуса с металлическими элементами и фокусирующих электродов, т.к. они выполнены из материалов, имеющих высокий атомный номер.

Снижение чувствительности детектора вследствие использования выходного окна сравнительно небольшого диаметра, поскольку в данном случае интегральный телесный угол сбора светового потока невелик.

Известен газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик [2] представляющий собой цилиндрический металлокерамический корпус, заполняемый чистым инертным газом (в частности, ксеноном), к одному торцу которого присоединено бериллиевое входное окно, а к второму торцу кварцевое выходное окно. Система электродов образует с входным окном дрейфовый объем (зона поглощения), а между собой область электролюминесценции. Один из электродов, расположенный вблизи выходного окна, одновременно является "защитным", препятствующим возникновению электронной бомбардировки выходного окна, на внутреннюю поверхность которого наносится смеситель спектра, в котором в этом случае возможны сцинтилляции.

Недостатками данного аналога являются отмеченные для предыдущей конструкции-аналога искажение выходного информационного сигнала вследствие вторичного излучения, генерируемого на стенках металлокерамического корпуса и фокусирующего электрода, и малая чувствительность детектора вследствие сравнительно малого диаметра выходного окна. Кроме того, в данном случае размеры зоны поглощения первичного излучения, зоны люминесценции и нерабочей зоны, расположенной перед выходным окном (между "защитным" электродом и внутренней поверхностью входного окна), не согласованы, что приводит к частичному поглощению падающего излучения в зоне люминесценции и нерабочей зоне; к неполному сбору светового потока из зоны люминесценции, что в свою очередь искажает конечный информационный сигнал и ухудшает отношение полезного сигнала к фоновому.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят газовый электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения [3] содержащий металлокерамический корпус, заполненный чистым ксеноном, входное окно, выполненное из бериллиевой фольги толщиной 0,2 мм, выходное окно, изготовленное из кристалла фтористого магния MgF2, размещенные внутри корпуса два сеточных электрода, первый из которых образует с входным окном зону поглощения излучения, а со вторым сеточным электродом зону электролюминесценции. При этом второй сеточный электрод с выходным окном образует зону торможения электронов, прошедших через этот электрод, и возвращающихся на сетку. В зоне поглощения выполнена система фокусирующих электродов в виде колец различного диаметра. На эти кольца подаются отрицательные по отношению к первому сеточному электроды потенциалы. Распределение этих потенциалов имитирует электрическое поле сферического конденсатора с центром в области электролюминесценции.

Недостатками конструкции-прототипа являются возможная генерация вторичного характеристического излучения на поверхностях металлокерамического корпуса и фокусирующего электрода, выполненных из материалов с высоким атомным номером, что искажает итоговый информационный сигнал и в конечном счете снижает достоверность показаний прибора; сравнительно невысокая чувствительность детектора вследствие использования выходного окна относительно малого диаметра; наличие нерабочего газового промежутка между вторым сеточным электродом и выходным окном, вследствие чего т.н. "тень", отбрасываемая вторым сеточным электродом на выходное окно, велика, что приводит к дополнительным потерям светового потока, к неравномерности засветки выходного окна, а следовательно, и фотокатода, контактирующего с выходным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ); возможное провисание второго сеточного электрода, являющегося маложесткой конструкцией вследствие функционального условия необходимого соотношения площади ячеек к общей площади электрода (-0,8) под действием электрического поля; деформирование электрода в процессе эксплуатации резко снижает стабильность энергетического разрешения детектора; зона торможения электронов между вторым сеточным электродом и выходным окном является по существу нерабочим объемом детектора, который увеличивает его габариты без какой-либо эффективности в части улучшения рабочих характеристик. Кроме того, наличие указанной нерабочей зоны, т.е. ненужного газового промежутка, может быть связано с дополнительной люминесценцией, квалификация, расчет и оценка величины которой затруднена, но которая является составной частью светового потока, регистрируемого ФЭУ и вносит, таким образом, неопределенности в показания прибора.

В целом перечисленные недостатки обуславливают сравнительно невысокие рабочие характеристики детектора и низкий уровень условий его эксплуатации.

Целью изобретения является улучшение рабочих характеристик и условий эксплуатации детектора.

Согласно изобретению указанная цель достигается тем, что фокусирующий электрод выполнен в виде полого цилиндра, соосного корпусу, внутренним диаметром dф > dвх и высотой hф из материала, имеющего малый атомный номер, второй сеточный электрод размещен на обращенной внутрь детектора торцовой поверхности диска выходного окна и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние Rx от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии Hx от входного окна, задаваемом соотношением Hф Hx Hд где Hд высота детектора и Hф = hф + ;
зазор между фокусирующим электродом и входным окном определяется из условия

и монотонно убывает по мере уменьшения значения Hx.

На чертеже показана конструкция детектора.

Детектор содержит металлокерамический газонаправленный корпус 1, к одному торцу которого герметично без применения клея (например, пайкой или диффузионной сваркой) присоединено входное окно 2, выполненное из материала, прозрачного для ионизирующего излучения (например, бериллий), а ко второму - выходное окно 3, изготовленное из материала, прозрачного для спектра люминесценции газа-наполнителя. В частности, при заполнении детектора ксеноном наиболее приемлемым материалом для выходного окна является кристалл фтористого магния MgF2. Внутри детектора выполнены два сеточных электрода 4 и 5, на которые через элементы коммутации, предусмотренные в металлокерамическом корпусе 1, подаются соответствующие электрические потенциалы. Сеточный электрод 4 образует с входным окном 3 зону поглощения 6, а между сеточными электродами 4 и 5 формируется зона электролюминесценции. При этом электрод 5 размещен на обращенной внутрь детектора торцевой плоскости диска выходного окна 3 и жестко связан с этой поверхностью. Это может быть реализовано, например, посредством формирования металлической структуры электрода в виде тонкопленочных пересекающихся или параллельных токопроводящих дорожек, полученных каким-либо методом металлизации. В зоне поглощения 6 размещен фокусирующий электрод 8, соосный корпусу 1 имеющий высоту hф и внутренний диаметр dф, больший диаметра диска dвх входного окна 2. На чертеже показан зазор между входным окном 2 и фокусирующим электродом 8, что определяется различными потенциалами, подаваемыми на эти элементы детектора. В частном случае фокусирующий электрод 8 может быть закреплен на манжете входного окна 2, т. е. иметь с этим окном одинаковый потенциал. Очевидно, что в этом случае зазор D = 0. Конкретный вариант конструктивного оформления фиксации фокусирующего электрода 8 для рассматриваемого изобретения не принципиален. На чертеже также обозначена возможная конфигурация корпуса 9, отвечающая сущности изобретения, которая связана с основными геометрическими параметрами детектора: высотой - Hд, диаметром выходного окна dвых, предельно возможным вариантом траектории электрона вдоль оси N'N'', которые определяют расстояние Rx от оси детектора до внутренней поверхности корпуса 1 в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии Hx, задаваемом соотношением
HфHxHд,
где Hф = hф +
Кроме того, на чертеже обозначены необходимые для расчета и лежащие в одной плоскости точки A, B, C, C1, O, O1, N1, N2, соответствующие пересечениям лежащих в этой плоскости осей O'O'' и N'N'' с поверхностью цилиндра диаметром dвх и линиями, совпадающими с отрезками Rx для различных Hx, и этих линий с поверхностью указанного цилиндра и поверхностью корпуса 1 (9).

Предлагаемый детектор функционирует следующим образом. Проникающее ионизирующее излучение проходит через входное окно 2 и поглощается в зоне между входным окном и сеточным электродом 4 в зоне поглощения 6, создавая в рабочем газе детектора (например, ксеноне) первичную ионизацию. При поглощении кванта в зоне поглощения 6 образуется облако медленных электронов, дрейфующих в этой зоне по направлению к зоне электролюминесценции 7 под действием электрического поля между входным окном 2 и сеточным электродом 4. Электрическое поле в зоне поглощения 6 выбирается таким, чтобы электроны смогли набрать энергию, достаточную только для возбуждения атомов ксенона. При этом фокусирующий электрод 8, выполненный в виде полого цилиндра внутренним диаметром dф, гарантированно исключает попадание электронов на металлокерамический корпус детектора и определяемые этим потери, которые в конечном счете сказываются на достоверности регистрируемого на выходе детектора светового потока. Выполнение фокусирующего электрода из материала с малым атомным номером исключает его флуоресценцию в рабочем энергетическом диапазоне, что также связано с точностными параметрами прибора в целом. Очевидно, что фокусирующий электрод 8 может быть закреплен непосредственно на входном окне 2 и иметь с ним одинаковый потенциал, т.е. зазор 0, либо быть изолированным от входного окна 2 и иметь с ним различные электрические потенциалы, что определяется конкретными условиями использования детектора и решаемыми задачами. Поэтому наличие или отсутствие зазора D для изобретения не принципиально. Очевидно, что этот зазор не должен давать возможность выхода рентгеновских квантов или электронов на корпус детектора, что обеспечивается конструктивным оформлением этой части детектора и достаточно малой величиной зазора D
Таким образом, в данном случае исключается появление вторичного характеристического излучения в зоне поглощения, т.к. фокусирующий электрод выполнен из материала с малым атомным номером, а кроме того, фокусирующий электрод может быть расположен не непосредственно в керамическом корпусе, а внутри металлического стакана, являющегося частью корпуса, или являться частью корпуса, что еще более понижает вероятность взаимодействия первичного излучения с материалом корпуса и расширяет возможности выбора различных вариантов типоразмеров корпуса.

Образованные в зоне поглощения 6 электроны проникают через сеточный электрод 4 в зону электролюминесценции 7, образованную сеточными электродами 4 и 5. Проходя через сеточный электрод 4 и ускоряясь электрическим полем сеточного электрода 5, электроны на длине свободного пробега последовательно возбуждают оптические уровни атомов ксенона с последующим образованием электролюминесцентных фотонов в ультрафиолетовой области спектра. Таким образом, в зоне электролюминесценции 7 электрическое поле выбрано с таким расчетом, чтобы первичные электроны могли только возбуждать, но не ионизировать атомы ксенона.

Далее поток световых фотонов через выходное окно 3, выполненное, в частности, из кристалла MgF2, поступает на фотоэлектронный умножитель (на чертеже не показан), где преобразуется в поток фотоэлектронов и регистрируется в виде импульса с анода ФЭУ.

Очевидно, что важным фактором при эксплуатации детектора является исключение побочных явлений в процессе последовательного преобразования рентгеновских квантов в поток световых фотонов. С одной стороны это связано с согласованием фактического количества сцинтилляций с регистрируемым числом фотонов, на что непосредственно влияет имеющаяся в известных конструкциях, например в прототипе, нерабочая зона между вторым сеточным электродом и выходным окном. В этой зоне возможны различного рода явления, в конечном счете искажающие реальную картину процесса электролюминесценции, имеющей место в зоне 7.

Таким образом, в предлагаемой конструкции исключается один из основных недостатков прототипа, связанный с наличием газового промежутка между второй сеткой зоны люминесценции и выходным окном, который приводит к ослаблению светового потока, попадающего на фотокатод ФЭУ и к неравномерности его освещения. Устранение этих факторов с учетом статистического процесса образования и сбора светового потока существенно повышает такие рабочие характеристики детектора, как энергетическое разрешение, чувствительность и отношение полезного сигнала к фоновому.

Кроме того, устранение из конструкции указанной нерабочей зоны исключает необходимость увеличения габаритов детектора, что в ряде случаев, например, когда детектор является составным блочным элементом регистрирующей измерительной системы, может являться весьма немаловажным фактором.

Сеточный электрод 5 размещен непосредственно на внутренней (обращенной внутрь детектора) торцовой поверхности выходного окна 3 и жестко связан с этой поверхностью. Этим обеспечивается сохранение конфигурации сеточного электрода 5, представляющего собой конструкцию с весьма малой жесткостью. В прототипе автономность этого электрода могла приводить вследствие указанной малой жесткости, которая объективно следует из необходимости соотношения суммарной площади просветов (ячеек) к общей площади электрода, к провисанию электрода под действием электрического поля. Это определяло нарушение параллельности сеточных электродов и как следствие резко ухудшало его энергетическое разрешение. В предлагаемой конструкции этот недостаток отсутствует. Кроме того, жесткая связь сеточного электрода 5 с поверхностью выходного окна 3 позволяет выполнять его в виде металлических дорожек минимальной ширины (сотые доли миллиметра) с просветами в единицы миллиметров, что практически исключает негативный эффект "затенения" выходного окна этим электродом. Это устраняет потери светового потока и обеспечивает при прочих равных условиях равномерность засветки выходного окна 3, а следовательно, и фотокатода ФЭУ.

Кроме того, на рабочие параметры и условия эксплуатации детектора существенно влияет конфигурация его корпуса. Как указывалось выше, предельно возможной является траектория электронов и квантов, которая соответствует обозначенной на чертеже оси N'N'', проходящей через лежащие в одной диаметральной плоскости по разные стороны от оси симметрии O'O'' крайние точки входного 2 и выходного 3 окон. Очевидно, что даже в этом случае электроны и кванты не должны попадать на поверхность корпуса 1 (9), следствием чего является генерация вторичного характеристического излучения, снижающая достоверность результатов измерения.

Данное условие обеспечивается, если расстояние Rx от любой точки на внутренней поверхности корпуса 1(9) до оси симметрии O'O'' превышает расстояние от этой оси до оси N'N'' (соответствующая точка N1) в каждом поперечном сечении на соответствующем удалении Hx от входного окна 2 детектора. Очевидно, что величина Hx должна находиться в пределах
Hф Hх Hд
т. к. на участке, где имеет место Hx <H, попадание электронов и квантов на поверхность корпуса исключает фокусирующий электрод 8, выполняющий роль экрана.

Геометрическое построение, представленное на чертеже, из подобия треугольников ABC и AN1C1 определяет соотношение
N1C1 AC1BC/AC.

Поскольку AC1 Hx, BC 1/2(dф+ dвх) и AC Hф, то
,
откуда можно получить выражение для :

А т. к. по определению , то конечное выражение, обеспечивающее указанное выше условие, можно представлять в виде

при очевидном при Hx= Hд.

Монотонное уменьшение величины Rx при уменьшении Hx соответствует конусообразной форме корпуса 1(9), которая предусматривает выполнение выходного окна 3 на большем основании конуса, что обеспечивает выполнение условия наименьшей "видимости" материала корпуса 1(9) из точки, находящейся на оси O'O'' детектора вблизи входного окна 2 и вне чувствительного объема. Тем самым для первичного излучения от изотропного источника, расположенного перед окном 2 детектора, создаются наилучшие условия непопадания квантов на внутреннюю поверхность металлокерамического корпуса.

Кроме того, выполнение соотношения (1) позволяет выбрать оптимальную конфигурацию корпуса, обеспечивающую требуемые условия функционирования и позволяющую свести к минимуму возможные габариты и вес детектора, что существенно улучшает условия его эксплуатации.

Очевидно, что выполнение указанного соотношения (1) необходимо на длине Hx, определяемой из условия
Hф hx Hд
т. к. на участке O Hx<H поверхность корпуса 1(9) экранируется фокусирующим электродом 8.

Возможность увеличения диаметра выходного окна 3, выполняемого на большем основании конусообразного корпуса 1(9) с размещением на внутренней поверхности этого окна жестко связанного с ним сеточного электрода 5, обеспечивает
увеличение светового потока на фотокатод ФЭУ;
уменьшение до минимума тени, создаваемой этим электродом на фотокатоде ФЭУ;
увеличение равномерности засветки фотокатода ФЭУ;
уменьшение влияния геометрического фактора (разбросе амплитуд сигнала ФЭУ из-за генерации световых фотонов на удалении от оси O'O'' детектора) на энергетические характеристики детектора.

Предлагаемая согласно изобретению совокупность технических решений по конструкции и взаимосвязи основных функциональных элементов детектора позволяет значительно улучшить рабочие характеристики и условия эксплуатации газового электролюминесцентного детектора. Это заключается в достигнутом энергетическом разрешении (на линии MnK E 5,9 кэв) в пределах (8,5 9,0)% по сравнению с величиной (9,0.10,0)% в известных образцах и повышения стабильности положения пика амплитудного распределения импульсов с детектора.

Улучшение условий эксплуатации связано с оптимизацией геометрии корпуса, которая может быть в необходимых пределах согласована с конфигурацией блоков и систем, в составе которых работает детектор.

По данному изобретению разработана конструкторская и технологическая документация, согласно которой изготовлена опытная партия газовых электролюминесцентных детекторов, проведен комплекс испытаний с получением положительных результатов.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в существенном повышении рабочих параметров и улучшении условий эксплуатации электролюминесцентных детекторов, что значительно расширяет возможности реализации различных научно-технических программ в таких областях, как рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, рентгеновская астрономия, геология, космическая техника, ядерная энергетика, экология.

Газовый электролюминесцентный детектор с однородным электрическим полем в зоне люминесценции, содержащий газонаполненный металлокерамический корпус, имеющий форму тела вращения, входное и выходное окно в виде параллельных дисков, герметично присоединенных к противоположным торцам корпуса и выполненных соответственно из материала, прозрачного для ионизирующего излучения, и материала, прозрачного для излучения со спектром люминесценции газонаполнителя, причем диаметр d входного окна меньше, чем диаметр d выходного окна, два сеточных электрода, первый из которых образует с входным окном зону поглощения, а с вторым сеточным электродом зону электролюминесценции, и фокусирующий электрод, размещенный в зоне поглощения, отличающийся тем, что фокусирующий электрод выполнен в виде полого цилиндра, соосного корпусу, внутренним диаметром dф > dвх и высотой hф из материала, имеющего малый атомный номер, второй сеточный электрод размещен на обращенной внутрь детектора торцовой поверхности диска выходного окна и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние Rх от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии Hx от входного окна, задаваемом соотношением
Hф Hx Hд
где Hд- высота детектора;
Hф = hф + , - зазор между фокусирующим электродом и входным окном, определяется из условия

и монотонно убывает по мере уменьшения значения Hx.

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физике высоких энергий и может быть использовано в ядерной физике и физике космических лучей для идентификации частиц по ионизационным потерям и переходному излучению

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения интенсивности ионообразования в местах размещения фоновых станций и биосферных заповедников, а также в обсерваториях и экспедиционных условиях

Изобретение относится к регистрации оптической информации, в частности к детекторам ультрафиолетового (УФ) излучения, и может быть использовано в различных областях науки и техники для регистрации непрерывного и импульсного УФ-излучения широкой области спектра в большом диапазоне мощностей

Изобретение относится к области сцинтилляционных детекторов ионизирующих излучений, преимущественно к области сцинтилляционных детекторов для визуализации и регистрации импульсных пучков электронов высокой плотности

Изобретение относится к устройствам для регистрации источников радиоактивного проникающего излучения и может быть применено как при визуализации изображения распределения радиоактивных препаратов, введенных в организм объекта при медицинских исследованиях, так и при дистанционном выявлении расположения визуально скрытых источников и тем самым осуществлять часть процесса лечения, диагностику некоторых заболеваний, а также осуществлять контроль экологического состояния среды по ионизирующему излучению
Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в атомной технике и промышленности, биофизике и медицине, физике космических лучей, в частности для создания высокоэффективных спектрометров - излучений больших объемов

Изобретение относится к контролю ТВЭЛов, а именно, к измерению толщины оболочек ТВЭЛЛов ядерных реакторов, изготовленных в виде трехслойных труб различной конфигурации
Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в атомной технике и промышленности, биофизике и медицине, физике космических лучей, в частности для создания высоко эффективных детекторов больших объемов

Изобретение относится к области люминесцентных детекторов ионизирующих излучений, особо для визуализации и измерения (оценки) параметров импульсных электронных пучков

 

Наверх