Газовый электролюминесцентный детектор

 

Назначение: регистрация ионизирующих излучений. Сущность изобретения: в газовом электролюминесцентном детекторе фокусирующий электрод, расположенный в зоне поглощения, выполнен в виде полого цилиндра высотой h_ф и внутренним диаметром d_ф, превышающий диаметр d_вх входного окна, из материала, имеющего малый атомный номер. Второй сеточный электрод, образующий с первым сеточным электродом, установленным в средней части внутреннего объема детектора, зону электролюминесценции, размещен на внутренней поверхности выходного окна диаметра d_вых и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние R_x от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на расстоянии H_x от входного окна, задаваемом соотношением H_ф≅H_x≅H_д, где H_д - высота детектора и H_ф = h_ф + Δ; Δ - зазор между фокусирующим электродом и входным окном, определяется из условия и монотонно убывает по мере уменьшения значения H_x, что обуславливает конусообразную форму этой части корпуса. Это позволяет улучшить рабочие характеристики и условия эксплуатации детектора. 1 ил.

Изобретение относится к рентгеновскому и ядерному приборостроению и может быть использовано в технике измерения и регистрации ионизирующих излучений.

Известен газовый сцинцилляционный пропорциональный счетчик [1] содержащий керамический корпус, имеющий коническую и цилиндрическую части, входное бериллиевое окно и выходное окно из материала "супрасил", присоединенные к торцам корпуса, причем бериллиевое входное окно присоединено к большему торцу конической части, а выходное к торцу цилиндрической части корпуса, систему кольцевых фокусирующих электродов в конической части корпуса, плоскости которых перпендикулярны оси корпуса, два сеточных сферических и один плоский электроды, образующие между собой зону сцинтилляции, а в пространстве до входного окна зону поглощения.

Конструкция имеет следующие недостатки.

Наличие сеток сферической формы, что ограничивает зону люминесценции и резко усложняет конструкцию детектора, т.к. требуются чрезвычайно точные их формообразование, ориентация и фиксация в корпусе детектора. В конечном счете это чрезмерно усложняет конструкцию и технологию изготовления детектора, что ухудшает его эксплуатационные характеристики.

Применение клеевых соединений при посадке входного и выходного окон приводит к загрязнению рабочего газа компонентами клеев, что резко снижает ресурс работы детектора и обуславливает необходимость подключения достаточно сложной системы очистки газа.

Искажение итогового информационного сигнала, снимаемого с детектора вследствие вторичного характеристического излучения, которое генерируется на открытых для падающего излучения внутренних поверхностях керамического корпуса с металлическими элементами и фокусирующих электродов, т.к. они выполнены из материалов, имеющих высокий атомный номер.

Снижение чувствительности детектора вследствие использования выходного окна сравнительно небольшого диаметра, поскольку в данном случае интегральный телесный угол сбора светового потока невелик.

Известен газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик [2] представляющий собой цилиндрический металлокерамический корпус, заполняемый чистым инертным газом (в частности, ксеноном), к одному торцу которого присоединено бериллиевое входное окно, а к второму торцу кварцевое выходное окно. Система электродов образует с входным окном дрейфовый объем (зона поглощения), а между собой область электролюминесценции. Один из электродов, расположенный вблизи выходного окна, одновременно является "защитным", препятствующим возникновению электронной бомбардировки выходного окна, на внутреннюю поверхность которого наносится смеситель спектра, в котором в этом случае возможны сцинтилляции.

Недостатками данного аналога являются отмеченные для предыдущей конструкции-аналога искажение выходного информационного сигнала вследствие вторичного излучения, генерируемого на стенках металлокерамического корпуса и фокусирующего электрода, и малая чувствительность детектора вследствие сравнительно малого диаметра выходного окна. Кроме того, в данном случае размеры зоны поглощения первичного излучения, зоны люминесценции и нерабочей зоны, расположенной перед выходным окном (между "защитным" электродом и внутренней поверхностью входного окна), не согласованы, что приводит к частичному поглощению падающего излучения в зоне люминесценции и нерабочей зоне; к неполному сбору светового потока из зоны люминесценции, что в свою очередь искажает конечный информационный сигнал и ухудшает отношение полезного сигнала к фоновому.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят газовый электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения [3] содержащий металлокерамический корпус, заполненный чистым ксеноном, входное окно, выполненное из бериллиевой фольги толщиной 0,2 мм, выходное окно, изготовленное из кристалла фтористого магния MgF₂, размещенные внутри корпуса два сеточных электрода, первый из которых образует с входным окном зону поглощения излучения, а со вторым сеточным электродом зону электролюминесценции. При этом второй сеточный электрод с выходным окном образует зону торможения электронов, прошедших через этот электрод, и возвращающихся на сетку. В зоне поглощения выполнена система фокусирующих электродов в виде колец различного диаметра. На эти кольца подаются отрицательные по отношению к первому сеточному электроды потенциалы. Распределение этих потенциалов имитирует электрическое поле сферического конденсатора с центром в области электролюминесценции.

Недостатками конструкции-прототипа являются возможная генерация вторичного характеристического излучения на поверхностях металлокерамического корпуса и фокусирующего электрода, выполненных из материалов с высоким атомным номером, что искажает итоговый информационный сигнал и в конечном счете снижает достоверность показаний прибора; сравнительно невысокая чувствительность детектора вследствие использования выходного окна относительно малого диаметра; наличие нерабочего газового промежутка между вторым сеточным электродом и выходным окном, вследствие чего т.н. "тень", отбрасываемая вторым сеточным электродом на выходное окно, велика, что приводит к дополнительным потерям светового потока, к неравномерности засветки выходного окна, а следовательно, и фотокатода, контактирующего с выходным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ); возможное провисание второго сеточного электрода, являющегося маложесткой конструкцией вследствие функционального условия необходимого соотношения площади ячеек к общей площади электрода (-0,8) под действием электрического поля; деформирование электрода в процессе эксплуатации резко снижает стабильность энергетического разрешения детектора; зона торможения электронов между вторым сеточным электродом и выходным окном является по существу нерабочим объемом детектора, который увеличивает его габариты без какой-либо эффективности в части улучшения рабочих характеристик. Кроме того, наличие указанной нерабочей зоны, т.е. ненужного газового промежутка, может быть связано с дополнительной люминесценцией, квалификация, расчет и оценка величины которой затруднена, но которая является составной частью светового потока, регистрируемого ФЭУ и вносит, таким образом, неопределенности в показания прибора.

В целом перечисленные недостатки обуславливают сравнительно невысокие рабочие характеристики детектора и низкий уровень условий его эксплуатации.

Целью изобретения является улучшение рабочих характеристик и условий эксплуатации детектора.

Согласно изобретению указанная цель достигается тем, что фокусирующий электрод выполнен в виде полого цилиндра, соосного корпусу, внутренним диаметром d_ф > d_вх и высотой h_ф из материала, имеющего малый атомный номер, второй сеточный электрод размещен на обращенной внутрь детектора торцовой поверхности диска выходного окна и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние R_x от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии H_x от входного окна, задаваемом соотношением H_ф ≅ H_x ≅ H_д где H_д высота детектора и H_ф = h_ф + Δ;
Δ зазор между фокусирующим электродом и входным окном определяется из условия

и монотонно убывает по мере уменьшения значения H_x.

На чертеже показана конструкция детектора.

Детектор содержит металлокерамический газонаправленный корпус 1, к одному торцу которого герметично без применения клея (например, пайкой или диффузионной сваркой) присоединено входное окно 2, выполненное из материала, прозрачного для ионизирующего излучения (например, бериллий), а ко второму - выходное окно 3, изготовленное из материала, прозрачного для спектра люминесценции газа-наполнителя. В частности, при заполнении детектора ксеноном наиболее приемлемым материалом для выходного окна является кристалл фтористого магния MgF₂. Внутри детектора выполнены два сеточных электрода 4 и 5, на которые через элементы коммутации, предусмотренные в металлокерамическом корпусе 1, подаются соответствующие электрические потенциалы. Сеточный электрод 4 образует с входным окном 3 зону поглощения 6, а между сеточными электродами 4 и 5 формируется зона электролюминесценции. При этом электрод 5 размещен на обращенной внутрь детектора торцевой плоскости диска выходного окна 3 и жестко связан с этой поверхностью. Это может быть реализовано, например, посредством формирования металлической структуры электрода в виде тонкопленочных пересекающихся или параллельных токопроводящих дорожек, полученных каким-либо методом металлизации. В зоне поглощения 6 размещен фокусирующий электрод 8, соосный корпусу 1 имеющий высоту h_ф и внутренний диаметр d_ф, больший диаметра диска d_вх входного окна 2. На чертеже показан зазор Δ между входным окном 2 и фокусирующим электродом 8, что определяется различными потенциалами, подаваемыми на эти элементы детектора. В частном случае фокусирующий электрод 8 может быть закреплен на манжете входного окна 2, т. е. иметь с этим окном одинаковый потенциал. Очевидно, что в этом случае зазор D = 0. Конкретный вариант конструктивного оформления фиксации фокусирующего электрода 8 для рассматриваемого изобретения не принципиален. На чертеже также обозначена возможная конфигурация корпуса 9, отвечающая сущности изобретения, которая связана с основными геометрическими параметрами детектора: высотой - H_д, диаметром выходного окна d_вых, предельно возможным вариантом траектории электрона вдоль оси N'N'', которые определяют расстояние R_x от оси детектора до внутренней поверхности корпуса 1 в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии H_x, задаваемом соотношением
H_ф≅H_x≅H_д,
где H_ф = h_ф + Δ
Кроме того, на чертеже обозначены необходимые для расчета и лежащие в одной плоскости точки A, B, C, C₁, O, O₁, N₁, N₂, соответствующие пересечениям лежащих в этой плоскости осей O'O'' и N'N'' с поверхностью цилиндра диаметром d_вх и линиями, совпадающими с отрезками R_x для различных H_x, и этих линий с поверхностью указанного цилиндра и поверхностью корпуса 1 (9).

Предлагаемый детектор функционирует следующим образом. Проникающее ионизирующее излучение проходит через входное окно 2 и поглощается в зоне между входным окном и сеточным электродом 4 в зоне поглощения 6, создавая в рабочем газе детектора (например, ксеноне) первичную ионизацию. При поглощении кванта в зоне поглощения 6 образуется облако медленных электронов, дрейфующих в этой зоне по направлению к зоне электролюминесценции 7 под действием электрического поля между входным окном 2 и сеточным электродом 4. Электрическое поле в зоне поглощения 6 выбирается таким, чтобы электроны смогли набрать энергию, достаточную только для возбуждения атомов ксенона. При этом фокусирующий электрод 8, выполненный в виде полого цилиндра внутренним диаметром d_ф, гарантированно исключает попадание электронов на металлокерамический корпус детектора и определяемые этим потери, которые в конечном счете сказываются на достоверности регистрируемого на выходе детектора светового потока. Выполнение фокусирующего электрода из материала с малым атомным номером исключает его флуоресценцию в рабочем энергетическом диапазоне, что также связано с точностными параметрами прибора в целом. Очевидно, что фокусирующий электрод 8 может быть закреплен непосредственно на входном окне 2 и иметь с ним одинаковый потенциал, т.е. зазор Δ 0, либо быть изолированным от входного окна 2 и иметь с ним различные электрические потенциалы, что определяется конкретными условиями использования детектора и решаемыми задачами. Поэтому наличие или отсутствие зазора D для изобретения не принципиально. Очевидно, что этот зазор не должен давать возможность выхода рентгеновских квантов или электронов на корпус детектора, что обеспечивается конструктивным оформлением этой части детектора и достаточно малой величиной зазора D
Таким образом, в данном случае исключается появление вторичного характеристического излучения в зоне поглощения, т.к. фокусирующий электрод выполнен из материала с малым атомным номером, а кроме того, фокусирующий электрод может быть расположен не непосредственно в керамическом корпусе, а внутри металлического стакана, являющегося частью корпуса, или являться частью корпуса, что еще более понижает вероятность взаимодействия первичного излучения с материалом корпуса и расширяет возможности выбора различных вариантов типоразмеров корпуса.

Образованные в зоне поглощения 6 электроны проникают через сеточный электрод 4 в зону электролюминесценции 7, образованную сеточными электродами 4 и 5. Проходя через сеточный электрод 4 и ускоряясь электрическим полем сеточного электрода 5, электроны на длине свободного пробега последовательно возбуждают оптические уровни атомов ксенона с последующим образованием электролюминесцентных фотонов в ультрафиолетовой области спектра. Таким образом, в зоне электролюминесценции 7 электрическое поле выбрано с таким расчетом, чтобы первичные электроны могли только возбуждать, но не ионизировать атомы ксенона.

Далее поток световых фотонов через выходное окно 3, выполненное, в частности, из кристалла MgF₂, поступает на фотоэлектронный умножитель (на чертеже не показан), где преобразуется в поток фотоэлектронов и регистрируется в виде импульса с анода ФЭУ.

Очевидно, что важным фактором при эксплуатации детектора является исключение побочных явлений в процессе последовательного преобразования рентгеновских квантов в поток световых фотонов. С одной стороны это связано с согласованием фактического количества сцинтилляций с регистрируемым числом фотонов, на что непосредственно влияет имеющаяся в известных конструкциях, например в прототипе, нерабочая зона между вторым сеточным электродом и выходным окном. В этой зоне возможны различного рода явления, в конечном счете искажающие реальную картину процесса электролюминесценции, имеющей место в зоне 7.

Таким образом, в предлагаемой конструкции исключается один из основных недостатков прототипа, связанный с наличием газового промежутка между второй сеткой зоны люминесценции и выходным окном, который приводит к ослаблению светового потока, попадающего на фотокатод ФЭУ и к неравномерности его освещения. Устранение этих факторов с учетом статистического процесса образования и сбора светового потока существенно повышает такие рабочие характеристики детектора, как энергетическое разрешение, чувствительность и отношение полезного сигнала к фоновому.

Кроме того, устранение из конструкции указанной нерабочей зоны исключает необходимость увеличения габаритов детектора, что в ряде случаев, например, когда детектор является составным блочным элементом регистрирующей измерительной системы, может являться весьма немаловажным фактором.

Сеточный электрод 5 размещен непосредственно на внутренней (обращенной внутрь детектора) торцовой поверхности выходного окна 3 и жестко связан с этой поверхностью. Этим обеспечивается сохранение конфигурации сеточного электрода 5, представляющего собой конструкцию с весьма малой жесткостью. В прототипе автономность этого электрода могла приводить вследствие указанной малой жесткости, которая объективно следует из необходимости соотношения суммарной площади просветов (ячеек) к общей площади электрода, к провисанию электрода под действием электрического поля. Это определяло нарушение параллельности сеточных электродов и как следствие резко ухудшало его энергетическое разрешение. В предлагаемой конструкции этот недостаток отсутствует. Кроме того, жесткая связь сеточного электрода 5 с поверхностью выходного окна 3 позволяет выполнять его в виде металлических дорожек минимальной ширины (сотые доли миллиметра) с просветами в единицы миллиметров, что практически исключает негативный эффект "затенения" выходного окна этим электродом. Это устраняет потери светового потока и обеспечивает при прочих равных условиях равномерность засветки выходного окна 3, а следовательно, и фотокатода ФЭУ.

Кроме того, на рабочие параметры и условия эксплуатации детектора существенно влияет конфигурация его корпуса. Как указывалось выше, предельно возможной является траектория электронов и квантов, которая соответствует обозначенной на чертеже оси N'N'', проходящей через лежащие в одной диаметральной плоскости по разные стороны от оси симметрии O'O'' крайние точки входного 2 и выходного 3 окон. Очевидно, что даже в этом случае электроны и кванты не должны попадать на поверхность корпуса 1 (9), следствием чего является генерация вторичного характеристического излучения, снижающая достоверность результатов измерения.

Данное условие обеспечивается, если расстояние R_x от любой точки на внутренней поверхности корпуса 1(9) до оси симметрии O'O'' превышает расстояние от этой оси до оси N'N'' (соответствующая точка N₁) в каждом поперечном сечении на соответствующем удалении H_x от входного окна 2 детектора. Очевидно, что величина H_x должна находиться в пределах
H_ф ≅ H_х ≅ H_д
т. к. на участке, где имеет место H_x <H, попадание электронов и квантов на поверхность корпуса исключает фокусирующий электрод 8, выполняющий роль экрана.

Геометрическое построение, представленное на чертеже, из подобия треугольников ABC и AN₁C₁ определяет соотношение
N₁C₁ AC₁·BC/AC.

Поскольку AC₁ H_x, BC 1/2·(d_ф+ d_вх) и AC H_ф, то
,
откуда можно получить выражение для :

А т. к. по определению , то конечное выражение, обеспечивающее указанное выше условие, можно представлять в виде

при очевидном при H_x= H_д.

Монотонное уменьшение величины R_x при уменьшении H_x соответствует конусообразной форме корпуса 1(9), которая предусматривает выполнение выходного окна 3 на большем основании конуса, что обеспечивает выполнение условия наименьшей "видимости" материала корпуса 1(9) из точки, находящейся на оси O'O'' детектора вблизи входного окна 2 и вне чувствительного объема. Тем самым для первичного излучения от изотропного источника, расположенного перед окном 2 детектора, создаются наилучшие условия непопадания квантов на внутреннюю поверхность металлокерамического корпуса.

Кроме того, выполнение соотношения (1) позволяет выбрать оптимальную конфигурацию корпуса, обеспечивающую требуемые условия функционирования и позволяющую свести к минимуму возможные габариты и вес детектора, что существенно улучшает условия его эксплуатации.

Очевидно, что выполнение указанного соотношения (1) необходимо на длине H_x, определяемой из условия
H_ф≅ h_x≅ H_д
т. к. на участке O ≅H_x<H поверхность корпуса 1(9) экранируется фокусирующим электродом 8.

Возможность увеличения диаметра выходного окна 3, выполняемого на большем основании конусообразного корпуса 1(9) с размещением на внутренней поверхности этого окна жестко связанного с ним сеточного электрода 5, обеспечивает
увеличение светового потока на фотокатод ФЭУ;
уменьшение до минимума тени, создаваемой этим электродом на фотокатоде ФЭУ;
увеличение равномерности засветки фотокатода ФЭУ;
уменьшение влияния геометрического фактора (разбросе амплитуд сигнала ФЭУ из-за генерации световых фотонов на удалении от оси O'O'' детектора) на энергетические характеристики детектора.

Предлагаемая согласно изобретению совокупность технических решений по конструкции и взаимосвязи основных функциональных элементов детектора позволяет значительно улучшить рабочие характеристики и условия эксплуатации газового электролюминесцентного детектора. Это заключается в достигнутом энергетическом разрешении (на линии MnK_α E 5,9 кэв) в пределах (8,5 9,0)% по сравнению с величиной (9,0.10,0)% в известных образцах и повышения стабильности положения пика амплитудного распределения импульсов с детектора.

Улучшение условий эксплуатации связано с оптимизацией геометрии корпуса, которая может быть в необходимых пределах согласована с конфигурацией блоков и систем, в составе которых работает детектор.

По данному изобретению разработана конструкторская и технологическая документация, согласно которой изготовлена опытная партия газовых электролюминесцентных детекторов, проведен комплекс испытаний с получением положительных результатов.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в существенном повышении рабочих параметров и улучшении условий эксплуатации электролюминесцентных детекторов, что значительно расширяет возможности реализации различных научно-технических программ в таких областях, как рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, рентгеновская астрономия, геология, космическая техника, ядерная энергетика, экология.

Формула изобретения

Газовый электролюминесцентный детектор с однородным электрическим полем в зоне люминесценции, содержащий газонаполненный металлокерамический корпус, имеющий форму тела вращения, входное и выходное окно в виде параллельных дисков, герметично присоединенных к противоположным торцам корпуса и выполненных соответственно из материала, прозрачного для ионизирующего излучения, и материала, прозрачного для излучения со спектром люминесценции газонаполнителя, причем диаметр d входного окна меньше, чем диаметр d выходного окна, два сеточных электрода, первый из которых образует с входным окном зону поглощения, а с вторым сеточным электродом зону электролюминесценции, и фокусирующий электрод, размещенный в зоне поглощения, отличающийся тем, что фокусирующий электрод выполнен в виде полого цилиндра, соосного корпусу, внутренним диаметром d_ф > d_вх и высотой h_ф из материала, имеющего малый атомный номер, второй сеточный электрод размещен на обращенной внутрь детектора торцовой поверхности диска выходного окна и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние R_х от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии H_x от входного окна, задаваемом соотношением
H_ф≅ H_x≅ H_д
где H_д- высота детектора;
H_ф = h_ф + Δ, Δ - зазор между фокусирующим электродом и входным окном, определяется из условия

и монотонно убывает по мере уменьшения значения H_x.

РИСУНКИ

Рисунок 1