Сцинтилляционный детектор для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения

Изобретение относится к области регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с получением информации о спектре излучения. Технический результат – расширение эксплуатационных возможностей сцинтилляционного детектора, повышение технологичности конструкции, сборки и обслуживания сцинтилляционного детектора. Сцинтилляционный детектор для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения дополнительно содержит световод, разделенный на приемный и передающий отрезки, фильтр излучения выполнен сменным и закреплен в разборном держателе, герметичный соединитель, во внутрь которого вакуум плотно установлен приемный отрезок световода таким образом, что торцы приемного отрезка световода и герметичного соединителя расположены в одной плоскости и образуют оптический вход, к которому при помощи прижима поджат пленочный сцинтиллятор, другой торец приемного отрезка световода и оба торца передающего отрезка световода оснащены самоцентрирующимися оптическими коннекторами, герметичный соединитель снабжен вакуумным уплотнением для размещения на стенке-границе вакуумного объема, защитную крышку, установленную на герметичном соединителе поверх прижима и используемую для фиксации разборного держателя, коннекторы приемного и передающего отрезков световода соединены друг с другом с помощью оптического адаптера, другой коннектор передающего отрезка световода подключен к фотоприемнику. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть преимущественно использовано для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с получением информации о спектре излучения.

Мягкое рентгеновское излучение передается преимущественно при пониженном давлении газа и поглощается, как правило, в тонких слоях веществ, поэтому для создания сцинтилляционных детекторов МРИ необходимо использовать соответствующие конструкторские и технологические решения.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (A.S. Boriskin, Yu.V. Vlasov, A.A. Volkov at el. «Formulation of the first experiments on x-ray radiation with imploding wire framed liners powered by explosive magnetic generators» in Proceedings of Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, Moscow-St.Petersburg, July 7-14, 2002, edited by V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich, p. 725-729]. Известный сцинтилляционный детектор содержит поглощающий фильтр излучения, расположенный в вакууме на пути регистрируемого МРИ перед пленочным сцинтиллятором, преобразующим МРИ в люминесцентное излучение оптического диапазона спектра, и световод длиной несколько метров, обеспечивающий передачу люминесцентного излучения пленочного сцинтиллятора к фотоприемнику. При этом в качестве фотоприемника используется фотоумножитель, а фильтр излучения состоит из материала, формирующего область избирательной чувствительности в отдельных диапазонах МРИ и одновременно блокирующего излучение в оптическом диапазоне спектра.

Недостатком известного сцинтилляционного детектора является наличие стеклянного окна, расположенного в герметичном фланце на торце канала вывода люминесцентного излучения. При этом пленочный сцинтиллятор прикреплен к внутренней поверхности стеклянного окна с помощью оптически прозрачного клея. Толщина стеклянного окна составляет всего 1,5 мм для минимизации потерь светосбора люминесцентного излучения пленочного сцинтиллятора. В итоге, конструкция известного сцинтилляционного детектора не обладает достаточной технологичностью для частого использования в лабораторных и взрывных экспериментах и ненадежна в эксплуатации. Световод удален от пленочного сцинтиллятора на расстояние, равное толщине стеклянного окна и слоя оптически прозрачного клея, что ведет к снижению качества светосбора. Кроме того, при прохождении через слой клея и стеклянное окно люминесцентное излучение пленочного сцинтиллятора меняет свой спектральный состав, что тоже ведет к снижению качества светосбора.

Известен также сцинтилляционный детектор для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (В.Д. Селемир, В.А. Демидов, В.Ф. Ермолович и др. «Исследование генерации мягкого рентгеновского излучения в Z-пинчах с запиткой от спиральных взрывомагнитных генераторов», Физика плазмы, 2007, т. 33, №5, с. 424-434), аналогичный по своему устройству вышерассмотренному сцинтилляционному детектору. В известном сцинтилляционном детекторе задача повышения качества светосбора и надежности вакуумного уплотнения частично решена заменой стеклянного окна на более прочную волоконно-оптическую пластину.

Недостатком известного сцинтилляционного детектора также является низкая технологичность его конструкции. Кроме того, в известном сцинтилляционном детекторе используются дорогостоящие волоконно-оптическая пластина и кварцевый световод большого диаметра (400-800 мкм). Волоконно-оптическая пластина имеет конечное число оптических волокон, расположенных напротив торца световода, а диаметр оптических волокон влияет на качество светосбора. С переходом на световод меньшего диаметра качество светосбора снижается, так как диаметр оптических волокон становится соизмерим с диаметром световода.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному сцинтилляционному детектору для регистрации мягкого рентгеновского излучения, представленному в работе (Ю.Я. Нефедов, П.Л. Усенко «Сцинтилляционный детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения», ПТЭ, 2016, №1, с. 113-117). Известное устройство по прототипу используется для регистрации импульсов МРИ с временным разрешением 5 нс и позволяет получать информацию о спектре регистрируемого излучения. Прототип содержит поглощающий фильтр излучения, расположенный в вакууме перед пленочным сцинтиллятором из полистирола, световод, обеспечивающий вывод люминесцентного излучения пленочного сцинтиллятора из вакуума, и фотоприемник, в качестве которого использован фотоумножитель. При этом фильтр излучения находится на расстоянии от рабочей поверхности пленочного сцинтиллятора. Прототип разработан для экспериментов, проводимых при сравнительно высоком остаточном давлении газа (≥1 мм рт. ст.). Результаты работы устройства по прототипу представлены на примере регистрации квантов с энергией 0,84 кэВ (NeK_α) при спектральном диапазоне регистрации от 0,7 до 18 кэВ. В устройстве по прототипу использован фильтр излучения, изготовленный из сравнительно толстой алюминиевой фольги 5,7 мкм.

Сцинтилляционный детектор, принятый за прототип, не предназначен для регистрации квантов с энергией менее 0,1 кэВ. В описании устройства по прототипу не представлена информация о применяемых способах закрепления фильтра излучения и пленочного сцинтиллятора. Отсутствуют сведения о конструкции вакуумной части и работе прототипа при низком остаточном давлении газа (менее 1 мм рт. ст.). В устройстве по прототипу для увеличения эффективности светосбора и гальванической развязки фотоприемника от корпуса установки использован дорогостоящий световод большого диаметра (5 мм) и малой длины (250 мм). Используемый в качестве фотоприемника фотоумножитель является хрупким и дорогостоящим прибором. Применение указанных световода и фотоумножителя для однократной транспортировки излучения на большие (~10 м) расстояния не является экономичным с учетом их возможного уничтожения или повреждения во взрывном эксперименте. Кроме того, у прототипа отсутствует средство коммутации сцинтиллятора и световода, позволяющее на разных этапах подготовки эксперимента оперативно подключать отрезки световода необходимой длины и требуемого диаметра (организация защиты расстоянием электрической части, проведение калибровки, проверка работоспособности, подбор чувствительности сцинтилляционного детектора и др.).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание сцинтилляционного детектора с улучшенными эксплуатационными возможностями для регистрации в лабораторных и взрывных экспериментах наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения при высокой плотности потока квантов ~10²² квантов/(см²⋅с) в расширенном диапазоне энергий квантов.

Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей сцинтилляционного детектора, за счет увеличения регистрируемого сцинтилляционным детектором спектрального диапазона, повышения технологичности конструкции, сборки и обслуживания сцинтилляционного детектора, позволяющих использовать сцинтилляционный детектор в лабораторных и взрывных экспериментах при пониженном до 10^-6 мм рт. ст. давлении газа для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов от 0,02 до 20 кэВ.

Технический результат достигается тем, что в разработанном сцинтилляционном детекторе для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения, включающем пленочный сцинтиллятор, фильтр излучения, фотоприемник и световод, обеспечивающий оптическую связь между пленочным сцинтиллятором и фотоприемником, при этом фильтр излучения установлен с зазором перед пленочным сцинтиллятором, новым является то, что световод разделен на приемный и передающий отрезки, фильтр излучения выполнен сменным и закреплен в разборном держателе, сцинтилляционный детектор дополнительно содержит герметичный соединитель, во внутрь которого вакуумплотно установлен приемный отрезок световода таким образом, что торцы приемного отрезка световода и герметичного соединителя расположены в одной плоскости и образуют оптический вход, к которому при помощи прижима поджат пленочный сцинтиллятор с обеспечением оптического контакта, другой торец приемного отрезка световода и оба торца передающего отрезка световода оснащены самоцентрирующимися оптическими коннекторами, герметичный соединитель снабжен вакуумным уплотнением для размещения на стенке-границе вакуумного объема, детектор также содержит защитную крышку, установленную на герметичном соединителе поверх прижима и используемую для фиксации разборного держателя, а коннекторы приемного и передающего отрезков световода соединены друг с другом с помощью оптического адаптера, при этом другой коннектор передающего отрезка световода подключен к фотоприемнику.

Используется однослойный или многослойный оптически плотный поглощающий фильтр излучения, суммарная толщина которого составляет от 1 до 10 мкм, и при этом разборный держатель, прижим, защитная крышка и герметичный соединитель конструктивно выполнены таким образом, что между ними находится полость, которая представляет собой лабиринт, для защиты фильтра излучения от механического повреждения и защиты пленочного сцинтиллятора от подсветки.

Используется пленочный сцинтиллятор на основе поливинилтолуола.

Используется диаметр передающего отрезка световода, равный или меньший диаметра приемного отрезка световода.

В самоцентрирующихся оптических коннекторах использовано соединение ST-типа (Straight Tip).

В качестве фотоприемника может быть использован фотодиод.

Герметичный соединитель закреплен на стенке-границе вакуумного объема при помощи гайки, шайбы и прокладки-уплотнителя.

Прижим закреплен на герметичном соединителе с помощью резьбы.

Детали разборного держателя соединены друг с другом и закреплены на защитной крышке с помощью винтов.

Фильтр излучения удерживается на полированной поверхности детали разборного держателя силой поверхностного натяжения.

Защитная крышка установлена на герметичном соединителе с помощью резьбы.

Защитная крышка и самоцентрирующийся оптический коннектор приемного отрезка световода зафиксированы шпильками.

Приемный отрезок световода вакуумплотно вклеен в герметичный соединитель.

Длина герметичного соединителя выбирается в соответствии с используемой толщиной стенки-границы вакуумного объема.

Выполнение фильтра излучения сменным и закрепление его в разборном держателе позволяет расширить регистрируемый сцинтилляционным детектором спектральный диапазон за счет использования различных материалов (фольг, пленок и т.п.) микронной и субмикронной толщины, за счет использования одного или нескольких слоев материала одинакового или разного химического состава. Для защиты фильтра излучения, особенно при использовании в его составе материалов низкой прочности или малой толщины, в конструкции сцинтилляционного детектора имеется канал откачки, обеспечивающий снижение градиента давления газа на фильтр излучения в процессе вакуумирования.

Расширение спектрального диапазона в область малых энергий регистрируемых квантов обеспечивается также высоким качеством рентгеночувствительной поверхности облучаемой области пленочного сцинтиллятора за счет использования прижима, удерживающего пленочный сцинтиллятор за края, а также за счет технологии вырезания пленочного сцинтиллятора из заготовки с использованием пробойника и толкателя. При изготовлении и монтаже пленочного сцинтиллятора воздействие происходит на противоположную облучаемой области тыльную сторону пленочного сцинтиллятора. Тыльная сторона пленочного сцинтиллятора прижимается с обеспечением оптического контакта к торцу приемного отрезка световода и используется только для вывода люминесцентного излучения сцинтиллятора. Расширение спектрального диапазона в область больших энергий квантов обеспечивается возможностью применения различной толщины и химического состава пленочного сцинтиллятора, например, на основе полистирола или поливинилтолуола.

Улучшение временного разрешения обеспечивается использованием сцинтиллятора, световода, фотоприемника и осциллографа с улучшенными характеристиками.

Для защиты пленочного сцинтиллятора от внешнего оптического излучения, которое может попадать под фильтр излучения через канал откачки, конструкция канала откачки представляет собой лабиринт с большим числом ступеней и матовых поверхностей, эффективно рассеивающих и поглощающих оптическое излучение. Кроме того, выход из канала откачки в вакуум расположен на дальней от источника излучения поверхности защитной крышки, что также улучшает защиту от внешнего оптического излучения.

Возможность использования сцинтилляционного детектора при низком остаточном давлении газа (до 10^-6 мм рт. ст.) обеспечивается тем, что герметичный соединитель при размещении на стенке-границе вакуумного объема снабжен технологически простым и надежным в эксплуатации вакуумным уплотнением с постоянными и независимыми от используемого диаметра световода параметрами. При этом установка световода внутрь герметичного соединителя осуществляется по технологии, например, вклеивания с малой площадью контакта по поверхности и большой глубиной клеевого соединения, причем глубина клеевого соединения, при необходимости, может быть дополнительно увеличена за счет увеличения длины герметичного соединителя.

Повышение технологичности конструкции, сборки и обслуживания сцинтилляционного детектора для взрывных и лабораторных экспериментов обеспечено за счет разделения световода на приемный и передающий отрезки с диаметром передающего отрезка, меньшим или равным диаметру приемного отрезка, использованием самоцентрирующихся коннекторов для соединения приемного и передающего отрезков световода, за счет съемной конструкции прижима пленочного сцинтиллятора, за счет возможности установки разборного держателя фильтра излучения, а также за счет возможности оперативной замены и выбора длины и диаметра передающего отрезка световода, которые могут производиться не только до, но и после монтажа и проверки на герметичность герметичного соединителя.

На Фиг. 1 приведена конструкция внутреннего устройства сцинтилляционного детектора, где: 1 - фильтр излучения, 2 - пленочный сцинтиллятор, 3 - приемный отрезок световода, 5 - разборный держатель, 6 - герметичный соединитель, 7 - прижим, 8 - самоцентрирующийся оптический коннектор, 9 - прокладка-уплотнитель, 10 – гайка, 11 - шайба, 12 - стенка-граница вакуумного объема, 13 - крышка, 15 - шпилька.

На Фиг. 2 представлена фотография внешнего вида сцинтилляционного детектора в сборе, где: 4 - передающий отрезок световода, 5 - разборный держатель, 6 - герметичный соединитель, 8 - самоцентрирующийся оптический коннектор, 9 - прокладка-уплотнитель, 13 - крышка, 14 - оптический адаптер.

На Фиг. 3 представлена зависимость от энергии регистрируемых квантов относительной спектральной чувствительности одного из вариантов сцинтилляционного детектора, рассчитанная для поглощающего двухслойного Al-фильтра суммарной толщиной 1 мкм и сцинтиллятора из поливинилтолуола толщиной 200 мкм с использованием сечений из (Callen D.E., Hubbel J.H., Kissel L. EPDL 97: The Evaluated Photon Data Library 97, Version // Lawrence Livermore National Laboratory, Report UCRL-50400, 1997, v. 6, Rev. 5).

На Фиг. 4 представлена характерная осциллограмма импульса МРИ, полученная при помощи варианта сцинтилляционного детектора в одном из экспериментов (временное разрешение составляет 5 нс, в качестве фотоприемника использован фотодиод ФД256).

Сцинтилляционный детектор для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения включает фильтр излучения 1, пленочный сцинтиллятор 2, фотоприемник и световод, обеспечивающий оптическую связь между пленочным сцинтиллятором 2 и фотоприемником, при этом фильтр излучения 1 установлен с зазором перед пленочным сцинтиллятором 2. Световод разделен на приемный 3 и передающий 4 отрезки, фильтр излучения 1 выполнен сменным и закреплен в разборном держателе 5, сцинтилляционный детектор дополнительно содержит герметичный соединитель 6, во внутрь которого вакуумплотно установлен приемный отрезок световода 3 таким образом, что торцы приемного отрезка световода 3 и герметичного соединителя 6 расположены в одной плоскости и образуют оптический вход, к которому при помощи прижима 7 поджат пленочный сцинтиллятор 2 с обеспечением оптического контакта, другой торец приемного отрезка световода 3 и оба торца передающего отрезка световода 4 оснащены самоцентрирующимися оптическими коннекторами 8, герметичный соединитель 6 снабжен вакуумным уплотнением для размещения на стенке-границе 12 вакуумного объема, детектор также содержит защитную крышку 13, установленную на герметичном соединителе 6 поверх прижимной гайки 7 и используемую для фиксации разборного держателя 5, а коннекторы приемного 3 и передающего 4 отрезков световода соединены друг с другом с помощью оптического адаптера 14, и при этом другой коннектор передающего отрезка световода 4 подключен к фотоприемнику.

При работе заявляемого сцинтилляционного детектора регистрируемый наносекундный импульс мягкого рентгеновского излучения сначала, как правило, ослабляется расстоянием в вакууме до уровня ~10²² квантов/(см²⋅с) и затем попадает на фильтр излучения 1. Фильтр излучения 1 сцинтилляционного детектора подобран таким образом, что согласно своему спектральному коэффициенту пропускания блокирует излучение видимого и ультрафиолетового диапазона и избирательно пропускает к пленочному сцинтиллятору 2 регистрируемую часть спектра. Пленочный сцинтиллятор 2 преобразует падающий на его внешнюю поверхность импульс МРИ в люминесцентное излучение оптического диапазона спектра. Люминесцентное излучение пленочного сцинтиллятора 2 через торец приемного отрезка световода 3 выводится из вакуума. Скорость, интенсивность и спектр люминесценции пленочного сцинтиллятора 2 определяются параметрами пленочного сцинтиллятора 2, например его химическим составом и качеством изготовления. Затем, практически без потерь, благодаря использованию оптических коннекторов 8, самоцентрирующихся в оптическом адаптере 14, люминесцентное излучение из приемного отрезка световода 3 поступает в передающий отрезок световода 4. По передающему отрезку световода 4 импульс люминесцентного излучения поступает на фотоприемник. Электрический выход фотоприемника подключен к осциллографу, регистрирующему и отображающему электрический сигнал в виде осциллограммы.

В качестве примера изобретения на Фиг. 1, 2 представлены конструкция и фотография сцинтилляционного детектора, разработанного, изготовленного и прошедшего испытание в экспериментах. В данном сцинтилляционном детекторе использован двухслойный оптически плотный поглощающий фильтр излучения из Al суммарной толщиной 1 мкм. Применен пленочный сцинтиллятор на основе поливинилтолуола толщиной 200 мкм с максимумом люминесцентного излучения 435 нм. Диаметр передающего отрезка световода составляет 400 мкм, что в два раза меньше используемого диаметра приемного отрезка световода. Использованы отрезки кварц-полимерного световода марки КП. В самоцентрирующихся оптических коннекторах использовано соединение ST-типа (Straight Tip/Bayonet Fiber Optic Connector). В качестве фотоприемника использован фотодиод ФД256. Надежность и качество вакуумного уплотнения обеспечены тем, что герметичный соединитель выполнен из латуни и закреплен на стенке-границе вакуумного объема при помощи стальной гайки М8, шайбы и прокладки-уплотнителя, изготовленной из вакуумной резины. Прижим выполнен из латуни и закреплен на герметичном соединителе с помощью резьбы М4. Детали разборного держателя выполнены из нержавеющей стали, соединены друг с другом и закреплены на защитной крышке с помощью винтов с резьбой М2. Фильтр излучения удерживается на полированной поверхности детали разборного держателя силой поверхностного натяжения. Защитная крышка выполнена из латуни и установлена на герметичном соединителе с помощью резьбы М8. Защитная крышка и самоцентрирующийся оптический коннектор приемного отрезка световода зафиксированы шпильками М3. Приемный отрезок световода вакуумплотно вклеен в герметичный соединитель с помощью эпоксидной смолы ЭД-20. Длина герметичного соединителя выбрана оптимальной для толщины стенки-границы вакуумного объема 8 мм. В результате, длина установленной на стенке-границе части сцинтилляционного детектора составляет 80 мм, диаметр - 16 мм.

1. Сцинтилляционный детектор для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения, включающий фильтр излучения, пленочный сцинтиллятор, фотоприемник и световод, обеспечивающий оптическую связь между пленочным сцинтиллятором и фотоприемником, при этом фильтр излучения установлен с зазором перед пленочным сцинтиллятором, отличающийся тем, что световод разделен на приемный и передающий отрезки, фильтр излучения выполнен сменным и закреплен в разборном держателе, сцинтилляционный детектор дополнительно содержит герметичный соединитель, во внутрь которого вакуумплотно установлен приемный отрезок световода таким образом, что торцы приемного отрезка световода и герметичного соединителя расположены в одной плоскости и образуют оптический вход, к которому при помощи прижима поджат пленочный сцинтиллятор с обеспечением оптического контакта, другой торец приемного отрезка световода и оба торца передающего отрезка световода оснащены самоцентрирующимися оптическими коннекторами, герметичный соединитель снабжен вакуумным уплотнением для размещения на стенке-границе вакуумного объема, детектор также содержит защитную крышку, установленную на герметичном соединителе поверх прижима и используемую для фиксации разборного держателя, а коннекторы приемного и передающего отрезков световода соединены друг с другом с помощью оптического адаптера, при этом другой коннектор передающего отрезка световода подключен к фотоприемнику.

2. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что используется однослойный или многослойный оптически плотный поглощающий фильтр излучения, суммарная толщина которого составляет от 1 до 10 мкм, и при этом разборный держатель, прижим, защитная крышка и герметичный соединитель конструктивно выполнены таким образом, что между ними находится полость, которая представляет собой лабиринт для защиты фильтра излучения от механического повреждения и защиты пленочного сцинтиллятора от подсветки.

3. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что используется пленочный сцинтиллятор на основе поливинилтолуола.

4. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что используется диаметр передающего отрезка световода, равный или меньший диаметра приемного отрезка световода.

5. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что в самоцентрирующихся оптических коннекторах использовано соединение ST-типа.

6. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника использован фотодиод.

7. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что герметичный соединитель закреплен на стенке-границе вакуумного объема при помощи гайки, шайбы и прокладки-уплотнителя.

8. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что прижим закреплен на герметичном соединителе с помощью резьбы.

9. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что детали разборного держателя соединены друг с другом и закреплены на защитной крышке с помощью винтов.

10. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что фильтр излучения удерживается на полированной поверхности детали разборного держателя силой поверхностного натяжения.

11. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что защитная крышка установлена на герметичном соединителе с помощью резьбы.

12. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что защитная крышка и самоцентрирующийся оптический коннектор приемного отрезка световода зафиксированы шпильками.

13. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что приемный отрезок световода вакуумплотно вклеен в герметичный соединитель.

14. Сцинтилляционный детектор по п. 1, отличающийся тем, что длина герметичного соединителя выбирается в соответствии с используемой толщиной стенки-границы вакуумного объема.