Вибротермопрочный детектор гамма-излучения

 

ВИБРПТЕРМОПРОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР rAMf A-ИЗЛУЧЕНИЯ на основе неорганического моносцинтиллятора, заключенного в герметичный корпус, снабженный порошкообразным отражателем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором, отличаю щийс я тем, что, с целью повышения световыхода детектора, выходное окно выполнено из кристаллического материала с коэффициентом линейного расширения 3 10 -5-10 1/град предпочтительно лития фтористого, причем сцинтиллятор к выходному окну жестко прикреплен полимеризую1чимся клеем, а само окно выполнено в виде усеченного конуса, входящего в коническую часть корпуса.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТ НЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (д) G 01 Т 1/202

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР f

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИф, „,, :-:

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2912316/25 (22) 18.04.80 (46) 30.06. 92. Ьол Р 24 (72) lO.À.Öèðëèí, IO. В. Замятин, 8.И.Лукашенко и 8.Ф.Евтушенко (53) 621 ° 3Р>7.,464 (088. 8) (56) Патент СНА 285361, кл. 250-71, опублик„ 1958,, lO.А,Цирлин и др„ Журнал прикладной спектроскопии, 7, 444, 1967. (54) (57) ВИБРОТЕРМОПРОЧННЙ ДЕТЕКТОР

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ на основе неорганического моносцинтиллятора, заключенИзобретение относится к детектирующим устройствам для регистрации жесткого гамма-излучения и может найти широкое применение при конструировании и контейнеризации вибротермопрочных сцинтилляционных детекторов, используемых в геологических и геофизических (полевых) исследованиях.

Нироко известны детекторы общего назначения на основе сцинтилляционных щелочногалоидных монокристаллов (ЦГК), например NaI(T1) Се(Т1), представляющих собой активный элемент детектора гамма-излучения, преобразующий энергию гамма-квантов в световую, которая в свою очередь регистрируется фотоэлектронным умножителем.

Активный элемент детектора (монокристаллический сцинтиллятор) заключен в герметичный корпус, имеющий

„„,ц „„860598 А1

2 ного в герметичный корпус, снабженный порошкообразным отражателем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором, о т л и ч а ю щ и й" с я тем, что, с целью повышения световыхода детектора, выходное окно выполнено из кристаллического материала с коэффициентом линейного расширения

3 1О -5-10 1/град предпочтит льно лития фтористого, причем сцинтиллятор к выходному окну жестко прикреплен полимеризующимся клеем, а само окно выполнено в виде усеченного конуса, входящего в коническую часть корпуса. отражатель и выходное окно. Выходное окно изготовлено из аморфного материала, например стекла, с коэффициен" р том линейного расширения 5-12 w х10 61/град. Г

Торцы выходного окна выполнены зер- кальногладкими с шероховатостью jQl

R =0,05.

О

Iec

Выходное окно вклеивается в метал-;i лическии кожух. Пространство между активным элементом и внутр

j еннеи по- . в в е р х н ос т ь ю корпуса заполнено от р а жасо6о åà oà ñ персный порошок белого цвета. Он служит для увеличения доли светового потока, выходящего через выходное окно корпуса, а также для механическои фиксации активного элемента путем его зажатия между уплотненным слоем отражателя и выходным окном.

;: ктивкый элемент каходится в Опти веском контакте с выходным окном.

0olv,-Геский элемент осуществляют с помоl!bK) слоя иммерсионной жидкости.

Ввсдение этой жидкости увеличивает -.ы сд света из сцинтиллятсра через выходное окно на фотоэлектронный ум" нсжитель. Зтст эффект обусловлен тем, что шел с-гкс-Галсидкые монокристаллы имеют высокий показатель преломления (:: . 1,3) .l в !лсд свет-" из сцинтилля» тора при отсутствии . иммерсии (оптическс, о контакта) ограничивается предельным углом полногG внутренне1 страже <ил {1.,=-агсsin -), Введение п иммерсии с показателем преломления а ==1, 5, близким к показателю прелом" ленив материала выхоцнсгс окна, при" водит к увеличению ""ð äåëüíîãî угла т .1 „n причем:- . —.à .ся;и

Й; * sa ТОГО,: что коэффициенты ли няйнсГ с расширения щелочнО галОид кых мскскристаллсв и материалов вы х<»дного окка значительно различают- .-,л (например, -" 5 10 1/град, =текло

К-д - 5 10 1/Град) в качестве иммерсии испогьзуют нетвердеющие клеи, сбычкс кремнийорганические (силиконовые) масла.

Температурный диапазон рабсть, таких детекторов ограничен свойствами применяемой иммерсионнсй жидкости снизу — температурой ее отвердевания, сверху температ урсиp при кОтОрОи вязкость этой жидкости становится настолько малой, что легко вытекает из зоны контакта, зпитывается в слой отражателя и т щ, Отвердевание жидкости приводит к тому.,То дальнейшее охлаждение детектора сопровождается разрушением (растрескиванием) er o активного элемента или выходного окна из-за зна" чительных различий в коэффициентах линейногс расширения материалов, из которых они изготовлены. Поэтому температурный диапазон надежной работы детекторов общего назначения составляет -20 - +60 С.

О

Зтс " основной недостаток детек" тора сбцегс назначения. Они также не осладают достатОчной Вибрспрочнс» стью, так как в процессе воздействия вибрации происходит нарушение оптического контакта вследствие выдавливания и мерсионной жидкости из проceo 4 странства между торцом активного элемента; и поверхностью выходного окна.

Ближайшим к заявляемому является вибротермопрочный детектор гамма-излучений на основе неорганического сцинтиллятора, заключенного в герметичный корпус, снабженный порошкообразным отражателем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором, Он представляет собой сцинтилля" ционный детектор с активным элементом, изготовленным из щелочно-гало" идного монокристалла, например NaI{T1) или CsI{T1.), преобразующим энергию гамма-квантов в световую, которая в свою очередь регистрируется фото20 электронным умнсжителем.

Активный элемент детектора (монокристаллический сцинтиллятор) заключен в герметичный корпус, имеющий отражатель и выходное окно. Выходное

25 окно изготовлено из аморфного материала, например стекла, с коэффициентом линейного расширения 5-12 10 1/град.

Торцы выходного окна выполнены зеркально гладкими.

30 Выходное окно вклеивается в метал" лическйй кожух. Пространство между активным элементом и внутренней поверхностью кожуха заполнено отражателем, представляющим собой мелкодисперсный порошок белого цвета. Он служит для увеличения доли светового потока, выходящего через выходное ок" но корпуса, а также для механической фиксации активного элемента пущ0 тем его зажатия между уплотненным слоем отражателя и выходным окном.

Активный элемент находится в оптическом контакте с выходным окном лишь на части площади торца (не более

gg ЧОМУ). Оптический контакт осуществля" ется путем притирки соприкасающихся поверхностей "насухо", что возможно только в. том случае, если сопрягаемые поверхности имеют достаточную плоск кость и высокую чистоту поверхности (величина воздушного зазора должна быть менее половины длинь1 волны собственного излучения, т,е. менее

210 НВ).

На остальной площади торца (60i и более) между поверхностями активного элемента и выходного окна имеется слой воздуха. Наличие воздушно го зазора снижает выход света из

860

1 о

i =arcsin - м =$2.

k 1, сцинтиллятора через выходное окно на фотоумножитель, так как в этом слу» чае для большей доли света (604) предельный угол полного внутреннего

1 о отражения i =arcsin -- 34 и лишь для меньшей доли света (м 403) Укаэанное обусловливает основной недостаток описанного детектора.

Наряду с этим у детекторов, упакованных как описано наблюдается

"выда вливание" стекла сцинтиллятором или растрескивание его за счет различного коэффициента линейного расширения сцинтиллятора и металлического кожуха.

Цель изобретения - повышение светового выхода детектора и устранение

1 выдавливания выходного окна при со-! хранении термопрочности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном вибротермопроч-! ном детекторе гамма-излучений на основе неорганического сцинтиллятора, заключенного в герметичном корпусе, снабженном порошкообразным отражателем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором, выходное окно выполнено из кристаллического материала с коэффициентом линейного расширения 3 ° 10 -5.10 1/град, предпочтительно лития фтористого, причем сцинтиллятор к выходному окну жестко прикреплен полимеризующимся клеем, а само окно выполнено в виде усеченного конуса, входящего в коническую часть корпуса.

Малая разность коэффициентов линейного расширения позволяет производить приклейку сцинтиллятора к выходному окну (создание оптического контакта) твердеющим полимеризующим клеем (например, "Зластосил-1102").

Само выходное окно изготовлено в виде пластины с конусной боковой поверхностью и вклеивается в посадочное место корпуса, имеющего такую же конфигурацию. Со стороны входного окна сцинтиллятор прижимают пружиной, обеспечивающей более высокую прочность соединения сцинтиллятора с выходным окном и играющей роль компенсатора температурного расширения элементов детектора.

Наличие конусности на боковой поверхности выходного окна и посадочном месте корпуса препятствует выдавливанию выходного окна и тем са" мым повышает прочностные характеристики детектора.

При регистрации гамма",излучения с помощью заявленного детектора происходят следующие процессы.

Гамма-квант, падающий на входное окно детектора или на его боковую поверхность, попадает в сцинтиллятор и передает ему полностью или частично свою энергию. Возникшие при этом один или несколько электронов создают в сцинтилляторе световую вспышку-сцинтилляцию. Возникший свето вой поток после однократного или мно" гократных отражений от порошкообразного отражателя и преломления на границах раздела выходит через выходное окно, изготовленное из прозрачного монокристаллического фтористого ли" тия на фотокатод Фотоэлектронного ум" ножителя, Наличие иммерсии (прозрачного твердеющего полимеризующегося клея) между сцинтиллятором и выходным окном увеличивает предельный угол пол" ного внутреннего отражения и тем самым долю выходящего из сцинтиллятора света. При этом световой выход де" тектора повышается, а энергетические разрешения улучшаются до величин, равных этим характеристикам у аналога.

При работе в области температур

-60 - +140 С происходит изменение размеров элементов детектора - корпуса сцинтиллятора, выходного окна. Пред" лагаемая конструкция обеспечивает целостность сцинтиллятора выходного окна и оптического контакта между ними за счет близости коэффициентов линейного расширения материалов выходного окна, сцинтиллятора и контей" нера, эластичности применяемой иммер" сии и наличия тонкой конусной части на корпусе детектора. Вклейка выходного окна в конусную часть корпуса препятствует "выдавливанию" его при резких изменениях температуры окружающей среды, а также повышает виброи ударопрочность детектора. Изменение линейных размеров элементов детектора при изменении температуры окру" жающей среды компенсируется также пружиной.

860598

На фиг. 1 представлен детектор ге и 1а и э луч ения и р едложен ной кон» струкции; на фиг. 2 - корпус детектора ю

Детектор представляет собой ак"

- -ивнь1й1 элемент - монокристаллический сцинтиллятор 1, заключенный в гермеТ1;чн6!Й кО6!Теинер ) сОстОящий из КОр пуса 2 (фиг „2), входного окна 3 1п и выходного окна 4. Выходное окно 4 вкг1еено в канусную част ь корпуса 2. фиксация н центровка активного эле" мента 1 в контейнере осуществляется центрирующими кОльцами 5 и 6. коль 15 цо 6, центриру1ощее активный элемент .

1 со стороны входного окна, выполнено коническим (по форме боковой поверхности активного элемента).

На корпусе ? со стороны входного,20 ,Окна имеется резьба, на которую наiкpучивает ся входное окно (крышка 3) (фиг. 2)..Пространство между боковой поверхностью, торцом активного элемента со стороны входного окна и со- 25 ответствующими поверхностями1 корпуса

2 и крышки 3 заполнено отражателем

7. Торец активного элемента; со стороны выходного окна сочленен с выходн61м Окном 4 с помощью твердеющего ЗО полимеризующегося клея. Между вход" ным окном 3 и отражателем 7 контей" нера детектора помещаются диск 8 и пруж11на 9 °

Работа предложенного устройства заключается в следующем.

Гамма"квант, падающий на входное окно 3 детектора (или на его боковую поверхность), попадает в сцинтилля" тор 1 и передает ему полностью или частично свою энергию. Возникающий при этом электрон (электроны) создают св",.Tîâóþ вспышку — сцинтилляцию.

Возникший свет после отражений от отражателя 7 и преломления на границах раздела (сцинтиллятор 1 - иммерсионный слой) выходит через выходное окно 4.

Наличие прозрачного клея между сцинтиллятором 1 и выходным окном

4 увеличивает предельный угол выхода света и тем самым световой выход детектора и его энергетическое разрешение, При работе в области переменных температур происходит изменение размеров элементов детектора — корпус

2, сцинтиллятора 1, выходного окна

4. Однако различие в коэффициентах расширения алюминия и фтористого лития (3 ° 10 -5 -1О 1/град) не приводит к разрушению последнего благодаря указанной величине и пластичности тонкой конусной части корпуса 2 ° Расширение сцинтиллятора 1 компанируется пружиной 9 через диск R. Прочность сочленения выходного окна 4 и корпуса 2 обеспечивается вклейкой и конусностью er0, благодаря чему оно не "выдавливается".

Таким образом, предлагаемая конструкция сочетает в себе более высокий световыход, высокие сцинтилляционные характеристики и работоспособность в широком диапазоне температур (-60 - +1 40 С).

Наряду с этим достигается дополнительный положительный эффект повышение механической прочности, исключается "выдавливание" стекла сцинтиллятором или его растрескивание.

В таблице приведены сопоставительные данные работы предложенного устройства и устройства-поототипа.

1 внешний вид световой выход световой выход (УЕСВ) внешний вид (УЕСВ) Номер детектора

До испытаний

Значения параметров

После испытаний на

- холодоустойчивость

После испытаний на влагоустойчивость внешний вид световой выход (УЕСВ) Вибропрочность цикл (продолжит.) испытаний 4,5 ч, диапазон частот

0"2000 Гц, ускорение

2,4

Ц-1

Беэ изменения

Беэ изменения

Без изменения

2,4

Без изменения

Г>ез изменения

Ц-2 Без видимых дефектов

Детектор по Без вилимых прототипу дешектов (удовлетворяет Ту 6. 0 .26223- 76) 2,4 Беэ изменения 2,4

2,4 Без изменения 2,4

Без изменения 1,8 Без изменения f,8

Нарушен опти" ческий контакт, не пригоден к дальнейшей экс" плуатации

860598

Составитель Ю.Алешин

Техред М.Иоргентал Корректор Т. Палий редактор О.,Филиппова

Заказ 2814 Тираж Подписное

КШННН! Го< уцзрс.твенногv комитета по нчобретенням н открытиям прн ГКНТ СГС1

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5,lр:. нзнс п .тв .и . -н датель< кнй комбинат Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 1!11