Газовый пропорционально-сцинтилляционный детектор

Предложенное изобретение относится к газовым пропорционально-сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации ионизирующих излучений, в частности, в устройствах ядерно-физического анализа состава вещества. Технический результат, достигаемый при реализации заявленного устройства, заключается в повышении чувствительности, улучшении энергетического разрешения и повышении эффективности регистрации ионизирующих излучений. Газовый пропорционально-сцинтилляционный детектор содержит цилиндрический корпус, фокусирующую систему, состоящую из фокусирующих колец и первой и второй электродных сеток, размещенных внутри корпуса перпендикулярно его оси, входное и выходное окна, расположенные у торцов корпуса, и фотоэлектронный умножитель. При этом корпус выполнен сплошным из электропрочного и вакуумно-чистого стекла и имеет колодцеобразный узел стыковки с ФЭУ, у верхнего торца внутри корпуса в верхней части зоны поглощения на фланце с входным окном установлен заземленный цилиндр из электропроводящего материала, а на нижнем торце в узле стыковки в нижней части зоны поглощения на фланце с выходным окном на кварцевом стекле смонтирована вторая электродная сетка. 1 ил.

 

Изобретение относится к газовым пропорционально-сцинтилляционным детекторам (ГПСД), предназначенным для регистрации ионизирующих излучений, в частности, в устройствах ядерно-физического анализа состава вещества.

Известен газоразрядный электролюминесцентный детектор, в котором корпус выполнен в виде цилиндра, а высоковольтная сетка расположена на выходном кварцевом окне, что направлено на улучшение энергетического разрешения и повышение эффективности регистрации (А.С. №533164, М. кл. Н 01 J 47/00, 1982).

Однако чувствительность и энергетическое разрешение аналога невелики из-за того, что использование полеобразующего цилиндра без фокусирующих колец не обеспечивает однородности поля на краях зоны поглощения и недостаточно эффективно исключает влияние внешних полей и электростатических зарядов, образовавшихся на поверхности стеклянного корпуса в зоне поглощения.

Известно устройство - электростатическая собирательная линза (ЭСЛ) (Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. Москва, 1960, Связьиздат, с.74), в котором электрический пучок фокусируется за счет подачи на фокусирующие кольца электрического потенциала. Однако фокусирующие кольца не исключают неоднородность поля на краях зоны поглощения, обусловленную влиянием внешних полей и электростатических зарядов, образованных на непроводящих стенках детектора. Из-за этого чувствительность и разрешение также недостаточны для ряда поставленных задач.

В качестве прототипа выбрано устройство ГПСД, наиболее близкое к заявленному по назначению и конструкции (Гоганов М.Е., Элькинд В.В. и др. Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1984. Вып.81, с.48). Цилиндрический корпус детектора собран из металлокерамических колец, между которыми закреплены четыре фокусирующих кольца с различными диаметрами отверстий и две электродные сетки. На торцах корпуса расположены входное и выходное окна. Входное окно изготовлено из бериллия толщиной 150 мкм и припаяно к металлическому фланцу, а выходное окно изготовлено из фтористого магния и припаяно к фланцу корпуса высокотемпературной эмалью. Электродные сетки делят объем детектора на две функциональные части: зону поглощения и зону электролюминесценции. Они имеют длину 3 см и 2 см, соответственно. Зона электролюминесценции, ограниченная двумя электродными сетками, находится на некотором расстоянии от выходного кварцевого окна. Напряженность поля в зоне поглощения составляет 500 В/см, а в зоне электролюминесценции 5000 В/см (Е/р=6,7 В/мм рт.ст.). Интенсивное ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате работы ГПСД, регистрируется ФЭУ-39А. Детектор наполнен чистым ксеноном до давления 700 мм рт.ст. Получено энергетическое разрешение 10,6% на линии К (Mn) (5,9 кэВ) при диаметре диафрагмы на входом окне 20 мм.

Недостатками конструкции является, во-первых, необходимость вакуумно-прочного соединения металлокерамических колец, между которыми находятся электроды с электрическими выводами. При наличии многочисленных соединений, если и обеспечивается вакуумная прочность корпуса, то не гарантируется вакуумная чистота внутренней поверхности корпуса и системы электродов, что загрязняет рабочий газ детектора и приводит к ухудшению его рабочих характеристик. Во-вторых, имеет место нежелательная неоднородность поля на краях зоны поглощения из-за влияния внешних полей и электростатических зарядов, образованных на керамических стенках детектора; в-третьих, удаление зон электролюминесценции от выходного кварцевого окна приводит к ухудшению светосбора, а следовательно, и энергетического разрешения.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого устройства, заключается в повышении чувствительности, улучшении энергетического разрешения и повышении эффективности регистрации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в газовом пропорционально-сцинтилляционном детекторе, включающем цилиндрический корпус, фокусирующую систему, состоящую из фокусирующих колец и электродных сеток, размещенных внутри корпуса перпендикулярно его оси, входное и выходное окна, расположенные у торцов корпуса, и фотоэлектронный умножитель, корпус, выполненный сплошным из электропрочного и вакуумно-чистого стекла, имеет колодцеобразный узел стыковки с ФЭУ, у верхнего торца, внутри корпуса, в верхней части зоны поглощения, на фланце с входным окном установлен заземленный цилиндр из электропроводящего материала, а на нижнем торце, в узле стыковки, в нижней части зоны поглощения, на фланце с выходным кварцевым окном смонтирована вторая электродная сетка.

Отличительными от прототипа признаками является использование сплошного корпуса из вакуумно-чистого и вакуумно-прочного материала (стекло, С-52) вместо набора металлокерамических колец и многочисленных их соединений с кольцами электродов; использование заземленного цилиндра из электропроводящего материала, что позволяет улучшить однородность поля на краях зоны поглощения и уменьшить влияние внешних полей на поле в этой зоне; размещение высоковольтной электродной сетки непосредственно на выходном кварцевом окне, что позволяет улучшить светосбор. Наличие колодцеобразного узла стыковки детектора с фотоэлектронным умножителем упрощает фиксацию ФЭУ с детектором и исключает влияние внешних электрических полей на фотокатод ФЭУ без использования дополнительной защиты ФЭУ и тем самым повышает стабильность работы ФЭУ.

Использование указанных конструктивных решений позволяет уменьшить отношение Е/р и число фокусирующих колец с сохранением высокого энергетического разрешения, улучшить энергетическое разрешение и эффективность регистрации.

Все указанные признаки заявляемого технического решения необходимы и достаточны для обеспечения заявленного технического результата.

При исследовании объектов техники, решающих аналогичные задачи, не обнаружены источники известности, порочащие новизну заявляемого технического решения.

Таким образом, заявленный ГПСД соответствует критерию изобретения «новизна».

На чертеже представлен общий вид заявляемого устройства.

Детектор представляет собой металло-стеклянный газонаполненный прибор. Несущим конструктивным элементом детектора является цилиндрический корпус 1, изготовленный из молибденового стекла. Для обеспечения герметичности конструкции к одному из торцов цилиндра через коваровую втулку 2 приварен фланец с бериллиевым входным окном 3. Другой торец вакуумно-плотно замыкается втулкой из молибденового стекла с коваровым фланцем 4, к которому припаяно выходное кварцевое окно 5. Внутри цилиндрического корпуса на стеклянных изоляторах 6 расположены фокусирующие кольца 7, проводящий заземленный цилиндр 8 и первая электродная сетка 9, а вторая электродная сетка 10 располагается на выходном кварцевом окне и крепится непосредственно к коваровому фланцу. Электродные сетки делят рабочий объем детектора на две функциональные части, а именно зону поглощения 11 и зону электролюминесценции 12. Сетки состоят из держателей 13 кольцевой формы, выполненных из нержавеющей стали, на которые параллельно в одной плоскости натянуты вольфрамовые проволочки. В зоне поглощения размещена фокусирующая система в виде двух колец 7, имеющих одинаковый внутренний диаметр. Кольца изготовлены из нержавеющей стали. Подачу потенциалов на фокусирующую систему и первую электродную сетку осуществляют через коваровые вводы 14, а на вторую сетку - с внешней стороны коварового фланца 4. Практически зона поглощения имела длину 4 см, зона электролюминесценции - 1 см, шаг первой сетки составляет 0,5 мм, а второй сетки - 1 мм. Световое излучение, возникающее в результате работы детектора, регистрируют ФЭУ-39А, 15, который вставляют в колодцеобразный узел стыковки 16. Для защиты детектора и входного окна ФЭУ-39А от света используют светонепроницаемый кожух, который не показан. Предложенная конструкция детектора позволяет произвести предварительную откачку до 10^-7 мм рт.ст. при температуре 350°С. Затем детектор заполняют чистым ксеноном до давления 750 мм рт.ст. и отпаивают.

Работает устройство следующим образом. Регистрируемое излучение попадает через входное окно 3 в рабочий объем детектора, производит первичную ионизацию с образованием фотоэлектронов и возбужденных атомов газа в зоне поглощения 11. Далее под влиянием электрического поля напряженностью 200 В/см, приложенного к чувствительному объему, облако электронов, образовавшееся в результате фотоэффекта в зоне поглощения, начинает дрейфовать в зону электролюминесценции 12. При этом на электронное облако воздействует электрическое поле, образованное фокусирующими кольцами 7, силовые линии которого сходятся к оси детектора перед входом в область электролюминесценции. Под воздействием перпендикулярной к оси компоненты поля электронное облако, дрейфующее по направлению к области электролюминесценции, сжимается к оси детектора и входит в область электролюминесценции узким пучком эллипсоидной формы с главной осью, перпендикулярной к вектору электрического поля. Тем самым достигается уменьшение эффективного диаметра области генерации излучения и локализация высвечивания в приосевой области ГПСД и ФЭУ 15, т.е. улучшается светосбор, а следовательно, энергетическое разрешение. Наличие проводящего заземленного цилиндра 8 в верхней части зоны поглощения позволяет исключить влияние внешних полей и электростатических зарядов, образованных на стеклянных стенках детектора, на поле в зоне поглощения и тем самым повысить однородность поля на краях этой зоны. Достигнув области электролюминесценции, где напряженность поля в рабочем образце соответствует 3800 В/см, а отношение Е/р=8 В/см мм рт.ст., электроны приобретают энергию и, сталкиваясь с атомами газа, приводят их в возбужденное состояние, причем это возбуждение может быть как резонансным, так и метастабильным. Ультрафиолетовое излучение, образованное за счет электролюминесценции, регистрируется ФЭУ-39А.

Одним из важных параметров ГПСД является энергетическое разрешение. Существенное влияние на энергетическое разрешение оказывают флуктуации числа электронов, достигающих зоны электролюминесценции, и флуктуации числа фотонов, попадающих на фотокатод ФЭУ. Наличие фокусирующих колец проводящего заземленного цилиндра и расположение высоковольтной сетки непосредственно на выходном кварцевом окне 5 позволяет сократить габариты ФЭУ с сохранением высоких спектрометрических характеристик при относительно большой чувствительной поверхности входного окна.

Устройство ГПСД, применяемое в составе рентгеновской аппаратуры, позволяет расширить область ее применения, повысить аналитические и эксплуатационные параметры этой аппаратуры: повысить качество и точность анализа, увеличить производительность. Улучшенное энергетическое разрешение ГПСД по сравнению с пропорциональным счетчиком в 1,5-2 раза приводит к качественному изменению аналитических характеристик аппаратуры. Так в структурном анализе становится возможным полное подавление β-линии с помощью введения аппаратурной дискриминации без применения фильтра. Это дает выигрыш в интенсивности первичного пучка в 1,5-2 раза. В рентгеноспектральном бескристальном анализе с использованием ГПСД становится возможным разрешение рентгеновской флуоресценции элементов с атомными номерами z, z+2, в то время как с пропорциональным счетчиком - z, z+3.

Таким образом, техническое решение ГПСД соответствует критерию «промышленная применимость».

В настоящее время изготовлен макет предложенного устройства и проводится его экспериментальная проверка.

Газовый пропорционально-сцинтилляционный детектор, включающий цилиндрический корпус, фокусирующую систему, состоящую из фокусирующих колец и первой и второй электродных сеток, размещенных внутри корпуса перпендикулярно его оси, входное и выходное окна, расположенные у торцов корпуса, и фотоэлектронный умножитель, отличающийся тем, что корпус, выполненный сплошным из электропрочного и вакуумно-чистого стекла, имеет колодцеобразный узел стыковки с ФЭУ, у верхнего торца внутри корпуса в верхней части зоны поглощения на фланце с входным окном установлен заземленный цилиндр из электропроводящего материала, а на нижнем торце в узле стыковки в нижней части зоны поглощения на фланце с выходным окном на кварцевом стекле смонтирована вторая электродная сетка.