Газовый пропорциональный детектор

 

Использование: приборы для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. Сущность изобретения: детектор содержит помещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный электрод-катод и положительный электрод-анод, выполненный в виде тонкой нити, расположенной кольцеообразно в виде многоугольника внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах. Отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Н 01 J 47/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ V 0

1 р

О

С> (21) 4886977/25 (22) 04.12.90 (46) 23.09.92. Бюл. N 35 (71) Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова (72) А.Ю.Дудкин и С.М.Черемисин (56) Патент США N- 4393306, кл, G 01 Т 1/18, 1983.

Томашевский Н,А., Разумов О.И., Галушка Ю.В. Пропорциональный счетчик для регистрации рассеянного гамма-излучения в массбауэровской спектроскопии, (54) ГАЗОВЫЙ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОРР

Изобретение относится к детекторам ионизирующих излучений, а конкретно к газовым пропорциональным детекторам (счетчикам) тороидальной конструкции.

Преимущественная область применения— детектирование рентгеновского и гамма-излучения, например, излучения, рассеиваемого исследуемым образцом, в ядерной гамма-резонансной спектроскопии, рентгенофлуоресцентном анализе.

Тороидальный пропорциональный детектор содержит полый внешний отрицательный электрод — катод, форма полости в котором близка или топологически эквивалентна тору, и который обычно служит корпусом конструкции, и помещенный внутри полости положительный электрод — анод в виде тонкой нити, расположенной кольцеобразно вблизи малой (кольцевой) оси тороидальной полости. Нить для придания ей необходимой формы укрепляется на изолированных несущих элементах — стойках или растяжках. В реальных конструкциях нить (57) Использование; приборы для регистрации рентгеновского и гамма-излучения.

Сущность изобретения: детектор содержит помещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный электрод-катод и положительный электрод-анод, выполненный в виде тонкой нити, расположенной кольцеообразно в виде многоугольника внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах. Отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5. 2 ил. может располагаться не строго по окружности, а по многоугольнику, однако отклонение от окружности считается вредным и его стараются сделать как можно меньше, Пространство между электродами заполняется специальной газовой смесью (инертный газ с гасящими добавками), а напряжение между электродами выбирается таким, чтобы лавинное умножение электронов вблизи анода обеспечивало коэффициент газового усиления КГУ >100.

Величина КГУ резко зависит от напряженности электрического поля вблизи анодной нити, при типичных условиях работы пропорционального детектора относительное изменение КГУ. а следовательно и амплитуды выходного импульса детектора, в

10 раз превосходит относительное изменение напряженности поля.

Основной трудностью при конструировании подобных детекторов является получение достаточно высокого энергетического разрешения и низкого

1764090

Š=- = —. Uo (1)

r г I n r> R а распределение потенциала внутри полости

1и х/R

И (х) =U. (2) где r> — радиус нити;

R — радиус полости; х — режущая радиальная координата;

Uo — напряжение питания; уровня фона, создаваемого побочными линиями излучения, часто присутствующими в измеряемых спектрах. Обычно по этим параметрам тороидальные детекторы существенно уступают цилиндрическим из-за худшей однородности электрического поля вокруг анодной нити.

В качестве прототипа выберем наиболеее расп рост ра не н ную двухэлектродную конструкцию тороидального детектора. Указанный детектор содержит металлическую тороидальную камеру, заполненную рабочим газом и служащую катодом, и укрепленную на изолированных опорах анодную нить, расположенную в виде многоугольника вблизи малой (кольцевой) оси тора, Основным недостатком этой конструкции является низкое энергетическое разрешение — 2,2 кэВ в коллимированном пучке и

-3,4 кэВ в рассеянном (на гамма-линии "4,4 кзВ изотопа кобальт-57), в то время как у цилиндрических пропорциональных детекторов, например типа СИ-11, оно достигает

1,6 кэВ.

Известные технические решения, направленные на улучшение однородности поля вокруг нити, не затрагивают таких деталей конструкции детектора как несущие элементы, на которых укрепляется анодная нить.

Проведенное нами исследование показало, что существенное отрицательное влияние на энергетическое разрешение и уровень фона детектора такой конструкции оказывают элементы крепления анодной нити (далее — опоры), Для приближенной оценки этого влияния применим формулы цилиндрического конденсатора, считая и анодную нить и ее опоры длинными и тонкими, по сравнению с размером полости, цилиндрами и пренебрегая поэтому отклонением формы полости от цилиндрической.

На фиг,1 нить 1 укреплена на оси полого цилиндрического катода 2 на диэлектрической опоре 3. Вдали от опоры напряженность электрического поля на поверхности нити

q — линейная плотность заряда.

Распределение потенциала вдоль опоры 3, изготовленной из изоляционного материала, определяется даже у лучших

5 диэлектриков электропроводностью этого материала (как правило поверхностной):

02(х) = Uo < (3) и отличается от распределения потенциала

10 в свободном пространстве (2) на величину

Л0 = 02 - 01.

Отличие потенциала на цилиндрической диэлектрической опоре (фиг.1 а) достигает в средней ее части половины

15 напряжения питания, еще большие значения hU достигаются на диэлектрической опоре, заглубленной в корпус (фиг.1 б), и на металлической опоре, укрепленной на изоляторе 4 (фиг,1 в), т.е, на типичном электри20 ческом выводе анода, Каждый участок опоры искажает исходное распределение электрического поля так же, как электрический заряд

О=ЛО С (4)

25 где С вЂ” емкость этого участка. Заряд Q создает вблизи точки закрепления анодной нити потенциал Q/х и, следовательно, снижает значение напряженности электрического поля на поверхности нити на величину

30 ЛЕ, определяемую соотношением

Е С1, х

ЛЕ Л0 С (5) .

После интегрирования вдоль опоры получим вблизи точки закрепления

hE I (6) где! — длина опоры, r2 — ее радиус.

При типичных размерах элементов конструкции детектора:

R = 10- 20 мм, ri = 10-40 мкм, гг = 0,05 - 0,5 мм отклонение напряженности электрического поля Е на нити от исходного невозмущенного значения составляет 10- 30;(,, что ввиду очень резкой зависимости КГУ от Е вызывает изменение

50 (снижение) КГУ в 1,5 — 3 раза.

Это обстоятельство приводит как к снижению энергетического разрешения детектора (формированию "хвоста" спектральной линии со стороны низких энергий), так и к повышению уровня фона в результате попадания в область рабочей линии спектра

"хвостов" от более жестких компонент излучения при сложном его спектре.

1764090 (7) или я = 1 — ехр(— и (Кlг1 )),(8) где д = б/ — относительное, а б — абсолютное смещение нити от оси катода, например, в направлении опоры (фиг.1г).

Целью настоящего изобретения является повышение энергетического разрешения детектора путем устранения искажения электрического поля несущими элементами анодной нити. 5

Для достижения указанной цели предлагается газовый пропоциональный детектор ионизирующего излучения, содержащий помещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный элект- 10 род — катод и положительный электрод— анод, выполненный в видетонкой нити, расположенной кольцеобразно внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих эле- 15 ментах, отличающийся тем, что отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью 20 меньше или равно 0,5.

Таким образом, в предлагаемой конструкции детектора расстояние между анодной нитью и катодом не постоянно по длине нити, а существенно уменьшается вблизи 25 опор.

Поскольку (см, ф-му (1)) напряженность поля на нити

E-=. 2u —, С1

r1 (6)

30 где г — емкость анодной нити на единицу длины, то для компенсации сдвига ЛЕ, вызванного искажением поля опорой (см.ф-лу (4)), следует пропорционально ЛЕ/Е, т.е. на 10 — 30/, повысить на данном участке 35 нити ее погонную емкость на катод.

При выполнении этого условия искажения электрического поля на нити зарядами противоположных знаков, находящимися на опоре и на катоде, взаимно компенсиру- 40 ются, чем и достигается указанная цель изобретения.

Предлагаемый детектор обладает новым свойством, заключающимся в возможности устранения искажения 45 электрического поля несущими элементами, благодаря чему в 1,5 — 2 раза повышается энергетическое разрешение детектора, Относительное изменение емкости д С при смещении анодной нити от оси катода можно оценить по формуле;

In(R rq) Для изменения погонной емкости нити на 5 смещение, согласно ф-ле (8), должно составить 0,6 R, на 10 — 0,75R при типичном для пропорциональных детекторов значении In/(R/ri) = 7.

Точное значение смещения, при котором достигается полная компенсация искажений поля, чувствительно к несущественным особенностям конструкции и не может быть вычислено заранее в общем виде, его проще всего подбирать экспериментально.

Сущность изобретения поясняют фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 схематически показано крепление анодной нити 1 внутри катода 2 на диэлектрических опорах 3 и на металлической опоре, установленной на изоляторе

4. Фиг.1 а, б, в — постоянное по длине нити расстояние между нитью и катодом, фиг,1 г — непостоянное. На фиг.2 схематически показано сечение тороидального детектора медианной плоскостью; 1 — анодная нить (1 а — известное, 1 б — новое расположение), 2 — катод, 3 — опоры.

Детектор содержит помещенные в газовую среду тороидальный отрицательный электрод — катод 2 и положительный электрод — анод, выполненный в виде тонкой нити 1, расположенной кольцеобразно внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах (опорах) 3, причем отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5.

Экспериментальная проверка изобретения проведена на макете тороидального детектора, выполненном согласно фиг.2, Максимальный диаметр тороидальной ïîлости в медианном сечении 85 мм, минимал ьн ы и 20 мм. Сечение полости радиальной плоскостью имело вид неправильного шестиугольника, радиус анодной нити r> = 15 мкм, радиус стеклянных опор г2-0,4 мм (практически такие же результаты получены при использовании капроновых растяжек с rz = 25 мкм), напряжение питания Оо = 1450 В, газовое наполнение

70 Kr, 27 Не, 3 СН4 при общем давлении 740 мм рт.ст.

При расположении анодной нити в виде правильного шестиугольника, максимально приближенного к окружности, проходящей через центр тяжести контура радиального сечения полости, (положение 1 а на фиг.2) амплитуда электрического импульса, соответствующего энергии гамма-квантов изотопа кобальт-57 14,4 кэВ, т.е, величина КГУ в середине участка нити между точками ее закрепления на опорах в 1,5 — 2 раза, в зависимости от Uo, превосходила амплитуду импульса от участков нити вблизи точек ее закрепления.

При уменьшении длины диэлектрической опоры 3 до 4 мм значения КГУ на свободных участках нити и вблизи опор сравниваются, а при дальнейшем уменьшении высоты опор величина КГУ вблизи опор начинает превосходить КГУ в середине свободного участка нити. Минимальная высота опоры практически ограничивается электрическим пробоем по поверхности диэлектрика.

Испытания проведены также при монтаже нити в виде 4- и 5-угольника (1 б на фиг.2), в этих случаях также удается путем подбора высоты опор выравнивать значения КГУ на-различных участках нити и получать как в коллимированном, так и в рассеянном пучке излучения энергетическое разрешение, практически совпадающее с разрешением цилиндрических пропорциональных счетчиков типов СИ-11 и

CPVi-20 с таким же газовым наполнением (лучше 1,6 кэВ на линии 14,4 кэВ), что в 1,5 — 2 раза лучше, чем у прототипа, и приближается к предельному разрешению пропорциональных детекторов, Очевидна, приведенные примеры не исчерпывают возможных вариантов реализации предлагаемой конструкции. Например, анодная нить не обязательно должна ле5 жать в одной плоскости, опоры могут располагаться не перпендикулярно, а параллельно или под другим углом к той стенке камеры, к которой приближается нить и т.д.

Формула изобретения

Газовый пропорциональный детектор ионизирующего излучения, содержащий по15 мещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный электрод — катод и положительный электрод — анод выполненный в виде тонкой нити, расположенной кольцеобразно, внутри полости катода и ук20 реплен ной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения энергетического разрешения детектора путем устранения искажения электрического

25 поля несущими элементами, отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5.

1764090 ф, Составитель А.Дудкин

Техред М.Моргентал

Корректор Н.Король

Редактор О.Стенина

Заказ 3459 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101