Детектор ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента

Предложенное изобретение относится к приборам для детектирования ионизирующих излучений, в частности к детекторам ионизирующих излучений с нанотрубками в качестве чувствительных элементов. Технической задачей данного изобретения является создание детектора ионизирующего излучения, конструктивное выполнение которого позволит обеспечить высокое пространственное и угловое разрешение при сохранении малых геометрических размеров детектора, работающего при низких напряжениях, который позволяет визуализировать полученные треки ионизирующего излучения, а также измерять плотности потока ионизирующего излучения и спектр энергий ионизирующих частиц. Предложенный детектор ионизирующего излучения содержит электронный блок управления; корпус из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению; матрицу чувствительных элементов, расположенных в корпусе в m рядов n столбцов, где m и n - целые числа, каждый из чувствительных элементов содержит по меньшей мере одну нанотрубку и два электрода, причем концы нанотрубок каждого чувствительного элемента соединены с соответствующими электродами; пленки из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов и столбцов чувствительных элементов и предназначенные для размещения контактных элементов и электрической разводки. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к приборам для детектирования ионизирующих излучений, а в частности к детектору ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента.

Изобретение может быть использовано для детектирования ионизирующего излучения, для определения направления на источник излучения, для измерения плотности потока ионизирующего излучения и энергии ионизирующей частицы.

Предшествующий уровень техники

Для детектирования заряженных частиц и других видов ионизирующих излучений используются детекторы ионизирующих излучений. Наиболее известными детекторами являются искровая камера, счетчик Гейгера, а также полупроводниковые детекторы на основе полупроводниковых диодов.

Недостатком всех существующих приборов является относительно низкое пространственное и соответственно угловое разрешение либо невозможность измерять направление на источник излучения. Кроме того, современные детекторы имеют размеры порядка сотен микрон и более, то есть являются макроскопическими устройствами.

Для детектирования заряженных частиц и других типов ионизирующих излучений широко используется счетчик Гейгера, являющийся разновидностью газонаполненных детекторов ионизационного типа (Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И.Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", Москва, Издательство МГУ, 2005). Указанный счетчик содержит цилиндрический конденсатор с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра. Это обеспечивает вблизи анода высокую напряженность электрического поля. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряженность поля вблизи нити-анода может достигать 40000 вольт/см. Пространство внутри трубки герметизировано и заполнено газом, например гелием или аргоном. Принцип действия указанного счетчика состоит в следующем. Частицы ионизирующего излучения, попадая внутрь детектора, производят первичную ионизацию атомов газа. Образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы. Электроны движутся в сторону положительно заряженной проволоки. Благодаря высокому положительному напряжению на проволоке электроны разгоняются и, сталкиваясь с другими атомами, ионизуют их. Возникает поток электронов, который регистрируется в виде импульса тока. Счетчик, однако, не позволяет идентифицировать частицы ионизирующего излучения, определить направление их движения или их энергию.

Известна также искровая камера, используемая для детектирования ионизирующего излучения (см., например, Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И.Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М., Издательство МГУ, 2005). Камера содержит трехмерную координатную сетку, образованную взаимно перпендикулярными катодными и анодными проволочками, на которые подается высокое напряжение около 10 кВ и более. Камера заполнена инертным газом. При прохождении заряженной частицы через камеру в результате ионизации газа образуется облако электрон-ионных пар, так называемый трек. Первичные электроны трека движутся по направлению к анодной проволочке и ионизуют газ, приводя к образованию целой лавины вторичных электронов. Когда лавина достигает проволочки, в ней возникает импульс тока, регистрируемый известным способом. Компьютер обрабатывает сигналы импульсов тока, поступающие от разных проволочек, и по программе рассчитывает траекторию заряженной частицы, а также ее энергию по длине трека либо по кривизне трека в магнитном поле.

Указанный датчик имеет достаточно большие размеры, что не позволяет использовать его в местах, где возможно использование датчиков только микроскопических размеров. Напряжение, подаваемое на проволочки, является очень высоким. Расстояние между элементами координатной сетки и соответственно пространственное разрешение искровой камеры не могут быть меньше, чем характерная длина, т.е. длина, на которой формируется лавина вторичных электронов. Обычно пространственное разрешение искровой камеры составляет около 0.3 мм.

В последнее время для детектирования различных внешних воздействий используются датчика, в которых в качестве чувствительного элемента используются углеродные нанотрубки.

В качестве ближайшего технического решения предложен датчик, использующий углеродные нанотрубки (см., например, патент Японии JP 2003227808), содержащий пластину из изолирующего материала, на которой на расстоянии друг от друга закреплены две электродные части, выполненные в виде тонких пленок, между которыми размещены углеродные нанотрубки, установленные в плоскости электродных частей параллельно друг другу и обеспечивающие электрическое соединение указанных электродных частей. Указанные электродные части включены в электрическую цепь и к ним подведено внешнее управляющее напряжение.

Принцип работы датчика основан на том, что электрические характеристики углеродных нанотрубок изменяются при изменении внешних воздействий, таких как свет, магнетизм, давление, деформация, искривление, температура, атмосферный газ, атмосферное давление. Указанное изменение электрических характеристик может быть измерено в виде электрического сигнала в электрической цепи. Поскольку проводимость нанотрубок меняется при изменении их формы, при деформации тестируемой поверхности изменяется ток в цепи датчика. Изменение тока регистрируется амперметром. Указанный датчик имеет плоскую конструкцию, поэтому он может быть использован только для регистрации излучения, но не может быть использован для пространственного и углового разрешения. Ионизирующая частица, движущаяся перпендикулярно плоскости датчика, будет либо пролетать между нанотрубками, не взаимодействуя с ними, либо проходить только через одну нанотрубку, создавая очень мало первичных электронов. При этом пространственное разрешение не может быть меньше геометрических размеров датчика, т.е. его длины и ширины, поскольку все нанотрубки подключены к одному контакту. Ионизирующая частица, движущаяся перпендикулярно направлению нанотрубок, но в плоскости датчика, будет взаимодействовать с большим числом нанотрубок. Но получить пространственное разрешение также не удастся. Таким образом, невозможно использовать указанный датчик в качестве чувствительно элемента для детектора ионизирующих излучений, а также для определения с высокой точностью направления на источник излучения.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание детектора ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, конструктивное выполнение которого позволит обеспечить высокое пространственное и угловое разрешение при сохранении малых геометрических размеров детектора, работающего при низких напряжениях, сигналы которого могут быть подвернуты компьютерной обработке для визуализации полученных треков ионизирующего излучения, а также позволит измерять плотности потока ионизирующего излучения и спектр энергий ионизирующих частиц.

Поставленная задача решена путем создания детектора ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, который включен в электрическую цепь, содержащую блок электронного управления, согласно изобретению детектор ионизирующего излучения содержит

корпус из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению,

матрицу чувствительных элементов, расположенных в корпусе в m рядов n столбцов, где каждый из чувствительных элементов содержит по меньшей мере одну нанотрубку и два электрода, причем концы нанотрубок каждого чувствительного элемента соединены с соответствующими электродами так, что минимальное расстояние между осями нанотрубок равно сумме двух радиусов соседних нанотрубок, а минимальное расстояние между чувствительными элементами выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами,

пленки из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов и столбцов чувствительных элементов и предназначенные для размещения контактных элементов и электрической разводки, по которым осуществляется электрическое соединение электродов чувствительных элементов с блоком электронного управления,

при этом упомянутый блок электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов.

Целесообразно, чтобы в качестве нанотрубок были использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из проводников, полупроводников и диэлектриков.

Полезно, чтобы в качестве нанотрубок были использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из углеродных нанотрубок и неуглеродных нанотрубок, а также углеродно/неуглеродные нанотрубки, содержащие примеси, обеспечивающие максимальное поглощение нейтронов и фотонов заданного диапазона энергий.

Предпочтительно, чтобы в качестве нанотрубок были использованы одностенные или многостенные нанотрубки.

Полезно, чтобы в качестве неуглеродных нанотрубок были использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из нитрид-борных нанотрубок, кремниевых нанотрубок, нитрид-галиевых нанотрубок.

Предпочтительно, чтобы многостенная нанотрубка содержала внешнюю нанотрубку и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку, при этом внешняя и по меньшей мере одна внутренняя нанотрубки подключены параллельно между собой и к электродам чувствительного элемента.

Полезно также, чтобы многостенная нанотрубка содержала внешнюю нанотрубку и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку, при этом внешняя и по меньшей мере одна внутренняя нанотрубки подключены последовательно между собой и к электродам чувствительного элемента.

Полезно, чтобы многостенная нанотрубка содержала внешнюю нанотрубку и множество внутренних нанотрубок, при этом внешняя нанотрубка и часть множества внутренних нанотрубок подключены параллельно между собой и к электродам чувствительного элемента, а нанотрубки другой части множества внутренних нанотрубок подключены между собой последовательно и подключены к электродам чувствительного элемента.

Целесообразно, чтобы детектор содержал материал, обеспечивающий максимальное поглощение нейтронов или фотонов заданного диапазона энергий и размещенный в области между чувствительными элементами детектора и между нанотрубками, причем указанный материал размещен между чувствительными элементами детектора таким образом, чтобы не создавать электрического контакта между чувствительными элементами детектора.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения плотности потока ионизирующего излучения, определение траектории частицы с высоким пространственным разрешением, направления на источник излучения с высоким угловым разрешением, а также возможность измерения энергии ионизирующей частицы.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему детектора ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента согласно изобретению.

Фиг.2 изображает чувствительный элемента детектора, подключенный к цепи блока электронного управления согласно изобретению.

Фиг.3а, 3b изображают схемы последовательного и параллельного соединения двустенной нанотрубки согласно изобретению.

Фиг.4а, 4b, 4с изображают схемы подключения трехстенных нанотрубок согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Детектор 1 (Фиг.1) ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента содержит корпус 2 из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению, и матрицу 3 чувствительных элементов 4, расположенных в корпусе 2 в m рядов n столбцов. Каждый из чувствительных элементов 4 содержит по меньшей мере одну нанотрубку 5 и два электрода 6, 7 (Фиг.2). Концы нанотрубок 5 каждого чувствительного элемента 4 соединены с соответствующими электродами 6, 7 так, что минимальное расстояние «а» между осями о-о нанотрубок 4 равно сумме двух радиусов r1 и r2 соседних нанотрубок 4. Следует отметить, что радиусы нанотрубов в общем случае могут отличаться между собой. Минимальное расстояние b (Фиг.1) между чувствительными элементами 4 выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами 4.

Детектор 1 содержит также четыре пленки 8, 9, 10, 11 из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов m и столбцов n чувствительных элементов 4 и предназначенные для размещения контактных элементов 12 и электрической разводки 13, по которым осуществляется электрическое соединение электродов 6, 7 чувствительных элементов 4 с блоком 14 электронного управления посредством кабеля 15.

Указанный блок 14 электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов. Блок 14 электронного управления содержит блок 16 обработки сигналов, поступающих в блок 14 электронного управления от чувствительных элементов 4, и источник 17 питания, предназначенный для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и для питания блока 16 обработки сигналов.

При этом каждый чувствительный элемент 4 подключен к соответствующим клеммам блока 14 электронного управления.

В указанном детекторе 1 в качестве нанотрубок 5 могут быть использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из нанотрубок, обладающих свойствами проводников, полупроводников и диэлектриков в зависимости от типа регистрируемого излучения и его энергии.

В качестве нанотрубок использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из углеродных нанотрубок и неуглеродных нанотрубок, например нитрид-борных нанотрубок, кремниевых нанотрубок, нитрид-галиевых нанотрубок, или другие, а также углеродно/неуглеродные нанотрубки, содержащие известные примеси, обеспечивающие максимальное поглощение нейтронов и фотонов заданного диапазона энергий.

Могут быть использованы одностенные и многостенные нанотрубки.

Многостенная нанотрубка 5 (Фиг.3а) содержит внешнюю нанотрубку 18 и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку 19. В описываемом варианте воплощения внешняя нанотрубка 18 и одна внутренняя нанотрубка 19 подключены параллельно между собой и подключены параллельно к электродам 6, 7 чувствительного элемента.

Возможен вариант, когда многостенная нанотрубка 5 (Фиг.3b) содержит внешнюю нанотрубку 20 и одну внутреннюю нанотрубку 21, при этом внешняя нанотрубка 20 и внутренняя нанотрубка 21 подключены последовательно между собой, причем нанотрубка 20 подключена к электроду 7, а внутренняя нанотрубка 21 подключена к электроду 6 чувствительного элемента.

Возможен также вариант воплощения, в котором многостенная нанотрубка 5 (Фиг.4а, Фиг.4b, Фиг.4с) содержит внешнюю нанотрубку 22 и множество внутренних нанотрубок 23, 24, при этом возможно, чтобы внешняя нанотрубка 22 и часть множества внутренних нанотрубок 23, 24 (Фиг.4b) были подключены параллельно между собой и подключены параллельно к электродам чувствительного элемента, а нанотрубки 23, 24 (Фиг.4а) другой части множества внутренних нанотрубок подключены между собой последовательно.

Возможен вариант выполнения, когда детектор содержит материал 25 (Фиг.1), обеспечивающий максимальное поглощение нейтронов или фотонов заданного диапазона энергий и размещенный в корпусе между чувствительными элементами 4 детектора и между нанотрубками, причем указанный материал размещен между чувствительными элементами детектора таким образом, чтобы не создавать электрического контакта между чувствительными элементами 4 детектора.

Работа детектора 1 (Фиг.1) ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента осуществляется следующим образом.

Источник 26 ионизирующего излучения расположен перед рабочей поверхностью детектора, как показано на Фиг.1. Детектор имеет две рабочие поверхности, т.е. это поверхности, на которых не размещены пленки с контактными элементами и электрической разводкой.

Рассмотрим сначала случай, когда в качестве ионизирующего излучения выступают заряженные частицы, например протоны, электроны, альфа-частицы и т.д. Когда заряженная ионизирующая частица попадает в детектор, пересекает расположенные внутри детектора чувствительные элементы 4, которые образуют трехмерную матрицу. Проходя через нанотрубки чувствительного элемента, заряженная частица ионизует расположенные вдоль траектории ее движения атомы вещества/веществ, из которых состоит нанотрубка. При ионизации атомов образуются свободные электроны и дырки, то есть свободные носители заряда. Количество образовавшихся свободных носителей заряда зависит от ионизирующей способности излучения, т.е. от типа проходящей заряженной ионизирующей частицы и ее энергии и материала, из которого выполнена нанотрубка. К концам каждой нанотрубки подведено управляющее напряжение от блока 14 электронного управления.

Ионизация атомов нанотрубки вызывает импульс тока в цепи (Фиг.2) чувствительного элемента, содержащего эту нанотрубку, который регистрируется и обрабатывается блоком электронного управления.

Проходя через чувствительные элементы детектора, заряженная ионизирующая частица вызывает последовательные импульсы тока в тех чувствительных элементах, которые расположены на ее траектории. Импульсы тока поступают для обработки в блок электронного управления. Поскольку чувствительные элементы образуют трехмерную матрицу, можно рассчитать траекторию заряженной частицы внутри детектора. Координаты (X₁,Y₁,Z₁) первой точки А1 траектории определяются при прохождении заряженной частицы через пару взаимно перпендикулярных чувствительных элементов 4, находящихся вблизи рабочей поверхности детектора и расположенных так, что один из них параллелен оси X, а другой параллелен оси Y (Фиг.1). Координаты (X₂,Y₂,Z₂) второй точки А2 определяются при прохождении заряженной частицы через следующую пару взаимно перпендикулярных чувствительных элементов 4, лежащих на траектории ее движения, и т.д. Блок 14 электронного управления с помощью компьютерной программы обрабатывает поступающие данные о координатах заряженной ионизирующей частицы и рассчитывает ее траекторию, а соответственно, и направление на источник 26 излучения. При обработке импульсов тока, поступающих в блок 14 электронного управления, можно определить число образовавшихся свободных электронов и дырок, что, в свою очередь, позволяет оценить ионизационные потери частицы и определить тип и энергию заряженной ионизирующей частицы.

Рассмотрим теперь случай, когда в качестве ионизирующего излучения детектируют фотоны. В отличие от описанных выше заряженных частиц фотон с большой вероятностью может поглотиться при первом же столкновении с нанотрубкой чувствительного элемента. В результате столкновения образуется свободный электрон. По закону сохранения энергии-импульса энергия и импульс свободного электрона однозначно связаны с энергией и импульсом поглотившегося фотона. Далее образовавшийся свободный электрон детектируется в детекторе как заряженная частица, и ее энергия и траектория определяются, как было описано выше для заряженной ионизирующей частицы. По энергии и направлению движения этого электрона блок электронного управления рассчитывает энергию и траекторию движения первичного фотона, т.е. направление на источник излучения.

Использование нанотрубок, допированных различными химическими веществами, позволяет создавать чувствительные элементы, которые избирательно реагируют только на ионизирующее излучение определенного типа и/или энергии, т.е. на определенную длину волны ионизирующего излучения.

Детектор ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента имеет следующие характеристики:

- высокое пространственное разрешение - от 10 нм и ниже. Пространственное разрешение зависит от поперечного размера чувствительного элемента и расстояния между чувствительными элементами;

- угловая разрешающая способность детектора зависит от длина пробега заряженной ионизирующей частицы в детекторе и равна отношению величины пространственного разрешения к длине пробега. В свою очередь, длина пробега зависит от энергии ионизирующей частицы и вещества чувствительного элемента.

Например, если пробег заряженной частицы составляет в детекторе около 1 см, а пространственное разрешение составляет около 100 нм, то угловое разрешение детектора составляет около 10^-5 радиан;

- размеры детектора определяются длиной нанотрубок и могут варьироваться в очень широких пределах - от 100 нм до 1 см, в зависимости от требований, при этом толщина детектора зависит от поставленной задачи;

- временная разрешающая способность составляет около 1 пс. Она зависит от времени релаксации вторичных электронов и дырок, появляющихся в веществе нанотрубок при ионизации.

1. Детектор ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, который включен в электрическую цепь, содержащую электронный блок управления, отличающийся тем, что содержит корпус из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению, матрицу чувствительных элементов, расположенных в корпусе в m рядов n столбцов, где m и n - целые числа, каждый из чувствительных элементов содержит по меньшей мере одну нанотрубку и два электрода, причем концы нанотрубок каждого чувствительного элемента соединены с соответствующими электродами так, что минимальное расстояние между осями нанотрубок равно сумме двух радиусов соседних нанотрубок, а минимальное расстояние между чувствительными элементами выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами, пленки из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов и столбцов чувствительных элементов и предназначенные для размещения контактных элементов и электрической разводки, по которым осуществляется электрическое соединение электродов чувствительных элементов с блоком электронного управления, при этом упомянутый блок электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве нанотрубок использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из проводников, полупроводников и диэлектриков.

3. Детектор по п.2, отличающийся тем, что в качестве нанотрубок использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из углеродных нанотрубок и неуглеродных нанотрубок, а также углеродно/неуглеродные нанотрубки, содержащие примеси, обеспечивающие максимальное поглощение нейтронов и фотонов заданного диапазона энергий.

4. Детектор по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что в качестве нанотрубок использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из одностенной и многостенной нанотрубок.

5. Детектор по п.3, отличающийся тем, что в качестве неуглеродных нанотрубок использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из нитрид-борных нанотрубок, кремниевых нанотрубок, нитрид-галлиевых нанотрубок.

6. Детектор по п.4, отличающийся тем, что многостенная нанотрубка содержит внешнюю нанотрубку и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку, при этом внешняя и по меньшей мере одна внутренняя нанотрубки подключены параллельно между собой и к электродам чувствительного элемента.

7. Детектор по п.4, отличающийся тем, что многостенная нанотрубка содержит внешнюю нанотрубку и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку, при этом внешняя и по меньшей мере одна внутренняя нанотрубки подключены последовательно между собой и к электродам чувствительного элемента.

8. Детектор по п.4, отличающийся тем, что многостенная нанотрубка содержит внешнюю нанотрубку и множество внутренних нанотрубок, при этом внешняя нанотрубка и часть множества внутренних нанотрубок подключены параллельно между собой и к электродам чувствительного элемента, а нанотрубки другой части множества внутренних нанотрубок подключены между собой последовательно и подключены к электродам чувствительного элемента.

9. Детектор по п.1, отличающийся тем, что содержит материал, обеспечивающий максимальное поглощение нейтронов или фотонов заданного диапазона энергий и размещенный в области между чувствительными элементами детектора и между нанотрубками, причем указанный материал размещен между чувствительными элементами детектора таким образом, чтобы не создавать электрического контакта между чувствительными элементами детектора.