Отпаянный электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения

 

Назначение: рентгеновское и ядерное приборостроение. Сущность изобретения: в отпаянном электролюминесцентном детекторе смеситель спектра, обеспечивающий согласование спектра излучения рабочего газа детектора со спектральной чувствительностью фотокатода фотоэлектронного умножителя, нанесен на внешнюю поверхность выходного окна детектора. Это позволяет улучшить и повысить стабильность, технические параметры изделия в процессе эксплуатации, т.к. исключается попадание примесей, выделяемых веществом смесителя спектра, в рабочий газ внутри детектора. 1 ил.

Изобретение относится к области рентгеновского и ядерного приборостроения и может быть использовано при регистрации ионизирующего излучения по световому излучению газа в таких детекторах, как электролюминесцентный детектор, газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик и т.п.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в тех задачах, где к детектору одновременно предъявляются требования высокого энергетического разрешения, автономности и длительной стабильной работы, особенно при регистрации рентгеновского излучения (рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, рентгеновская астрономия, геологоразведка, экология).

Известен газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик [1], содержащий входное окно из алюминиевой фольги толщиной 7,5 мг/см², через которое рентгеновское излучение проходит внутрь детектора, наполненного ксеноном высокой чистоты (99,99%), зону поглощения рентгеновских квантов и зону электролюминесценции, два выходных окна из материала Spectrosil A, каждое из которых находится в оптическом контакте с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) типа EMI 9656 с кварцевым окном, смеситель спектра (п-кватерфенил), нанесенный на внутреннюю поверхность выходных окон, сдвигающий спектр излучения ксенона в область спектральной чувствительности фотокатода ФЭУ. Электрическое поле, за счет энергии которого происходит электролюминесценция, формируется двумя электродами: анод представляет собой полированный серебряный шарик диаметром 6 мм, а катодом служит металлический корпус счетчика.

Газ циркулирует в замкнутой системе через детектор и кальциевый очиститель, нагретый до 340^oC. На детекторе впервые было получено высокое энергетическое разрешение: R_E=8,5% на линии MnK_α. .

Приведенная конструкция имеет следующие недостатки.

Интенсивность электролюминесценции сильно снижается в присутствии даже малых количеств примесей в ксеноне, а органические вещества смесителя быстро загрязняют ксенон. По мере загрязнения ксенона параметры детектора непрерывно ухудшаются, т.е. детектор работает нестабильно.

Обеспечение нормальной работы детектора со смесителем спектра, нанесенным на внутреннюю поверхность выходного окна, связано с необходимостью присоединения детектора к системе очистки ксенона от паров п-кватерфенила. Эта система достаточно сложна и громоздка, поскольку должна быть герметичной, не выделять собственные примеси в ксенон, должна обеспечивать циркуляцию газа через очиститель и очистку газа от примесей. Присоединенный к такой системе детектор составляет (по объему) лишь незначительную ее часть и, очевидно, не является автономным.

Известен отпаянный электролюминесцентный детектор рентгеновского излучения с однородным электрическим полем, наполненный ксеноном [2], содержащий входное окно из бериллиевой фольги, фокусирующий электрод, зону поглощения рентгеновских квантов, в которой электролюминесценция отсутствует, зону электролюминесценции, образованную двумя металлическими сетками, на которые подается разность потенциалов, выходное окно из фтористого магния MgF₂, работающий в паре с ФЭУ-39А и не использующий смеситель спектра. Детектор является автономным и имеет срок эксплуатации ≈1,5 г. при сохранении основных технических параметров.

Недостатками данной конструкции являются потери части спектра электролюминесценции ксенона при передаче на фотокатод ФЭУ. Хотя MgF₂ прозрачен для излучения ксенона, что является достоинством прибора, но оптический контакт MgF₂ и кварцевого окна ФЭУ весьма несовершенен, поскольку осуществляется механическим прижатием поверхности выходного окна из MgF₂ к поверхности входного окна ФЭУ. Получение качественного оптического контакта при таком способе соединения практически невозможно, т.к. поверхность окна ФЭУ имеет значительные отклонения от плоскостности на границе стыка кварцевого окна с колбой ФЭУ, что связано с технологией пайки кварца со стеклом.

Между контактирующими поверхностями окна из MgF₂ и окна ФЭУ неизбежно остается тонкий воздушный зазор, в котором излучение ксенона (вакуумный ультрафиолет) сильно поглощается. По данным авторов для детектора отбирается в среднем один ФЭУ-39А из десяти изготовленных. Кроме того, механическое прижатие двух поверхностей окон может привести к повреждению (разрушению) одной из них, т.е. к выходу детектора из строя.

Потери света происходят и в кварцевом окне, т.к. кварц не прозрачен в области длин волн 140...160 мм (коэффициент пропускания при λ = 170 нм равен 50%, а далее резко падает в коротковолновой области).

Все это приводит к потерям электролюминесценции и ухудшению энергетического разрешения, которое является основным функциональным параметром детектора.

Ресурс работы ФЭУ с кварцевым окном в несколько раз меньше, чем у ФЭУ с увиолиевым окном. Это объясняется высокой проницаемостью гелия, диффундирующего через кварцевое окно из окружающей атмосферы внутрь колбы ФЭУ.

Ограничен выбор ФЭУ с кварцевым окном. В СССР за 50 лет производства ФЭУ было выпущено всего три типа ФЭУ с кварцевым окном. Из них для рассматриваемого детектора представляет интерес только ФЭУ-39А, имеющий самый большой диаметр фотокатода - 34 мм.

Энергетическое разрешение в данном детекторе заметно ухудшается с увеличением диаметра диафрагмы на входном окне.

Стабильность электронного умножителя ФЭУ-39А ниже современных требований, предъявляемых к спектрометрическим детекторам. Это обусловливает необходимость выполнения дополнительных устройств, стабилизирующих работу ФЭУ, что существенно усложняет конструкцию детектора.

Из известных детекторов ионизирующего излучения, в которых регистрация рентгеновских фотонов осуществляется путем измерения интенсивности электролюминесцентного излучения, наиболее близким по технической сущности к изобретению является отпаянный газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик [3], наполненный ксеноном, содержащий входное бериллиевое окно, два сеточных электрода, формирующих однородное электрическое поле в области электролюминесценции, выходное окно из увиолевого стекла, непрозрачного для света, испускаемого ксеноном, в котором для обеспечения попадания излучения ксенона на фотокатод на внутреннюю поверхность выходного окна нанесен смеситель спектра (п-кватерфенил), а для очистки газа от паров органических веществ используется калиевый геттер. Подобная конструкция обеспечивает сочетание в одном блоке автономности, долговечности работы (2 - 3 мес) и достаточно высокого уровня энергетического разрешения (10% по линии MnK_α ).

Недостатком детектора-прототипа является нестабильность технических параметров в процессе эксплуатации, обусловленная неконтролируемыми многоатомными примесями, выделяемыми веществом смесителя, а также бомбардировкой электронов, прошедших вторую сетку поверхности смесителя, так, например, амплитуда световых импульсов уменьшалась за неделю в два раза, а энергетическое разрешение ухудшилось на 25% (относительных).

Использован геттер для стабилизации параметров детектора при сохранении автономности прибора. Это в определенной степени стабилизирует рабочие характеристики, но, по-прежнему, основные параметры детектора продолжают ухудшаться со временем. Например, амплитуда импульса уменьшается на 10% за неделю, что является недопустимо большим значением.

Ограниченное время работы геттера требует либо его замены, либо периодических очисток. И в том, и в другом случае автономность детектора нарушается.

В целом перечисленные недостатки определяют сравнительно невысокие технические параметры и эксплуатационные характеристики детектора.

Целью изобретения является повышение уровня технических параметров и эксплуатационных характеристик отпаянного электролюминесцентного детектора за счет улучшения согласования спектра излучения рабочего газа детектора с областью спектральной чувствительности фотокатода фотоэлектронного умножителя.

Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что смеситель спектра нанесен на внешнюю поверхность выходного окна детектора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где в качестве примера изображен электролюминесцентный детектор с однородным электрическим полем, хотя изобретение применимо к детекторам с любой конфигурацией поля.

Детектор содержит металлокермический корпус 1 с входным (например, выполненным из бериллиевой фольги) окном 2 и выходным окном 3 (в частности, изготовленным из кристалла фтористого магния MgF₂). Два сеточных электрода 4, 5 формируют зону поглощения - между входным окном 2 и первой сеткой 4 и зону люминесценции - между сеточными электродами 4 и 5, на которые подается электрическое напряжение. Выходное окно 3 детектора находится в оптическом контакте с окном 6 фотоэлектронного умножителя 7. На наружную поверхность выходного окна 3 нанесен слой смесителя спектра 8 (например, п-терфенила толщиной 0,55...2,5 мг/см²). Для обеспечения гарантированного оптического контакта по всей поверхности окон 3 и 6 равномерно нанесен слой оптической смазки 9, например силиконового компаунда марки СКТВ-МЕД вязкостью 300...600 Пз. Равномерность толщины слоя оптической смазки достигается путем механического прижима входного окна 6 к выходному окну 3. Электрическое напряжение подается на электроды через контакты 10.

Функционирует детектор описанной конструкции следующим образом.

Проникающее ионизирующее излучение, например рентгеновское излучение, проходит входное окно 2 и поглощается в зоне между входным окном 2 и сеточным электродом 4, создавая в рабочем газе детектора, например ксеноне, первичную ионизацию. Электрическое поле в зоне поглощения выбирается с таким расчетом, чтобы электроны не могли набрать энергию, достаточную для ионизации или возбуждения атомов ксенона. Под действием электрического поля электроны дрейфуют в зону электролюминесценции, сформированную сеточными электродами 4 и 5. В этой зоне электрическое поле выбрано с таким расчетом, чтобы первичные электроны могли только возбуждать, но не ионизировать атомы ксенона.

В результате возникает усиление выхода света за счет электролюминесценции ксенона. Спектр излучения лежит в области вакуумного ультрафиолета в диапазоне длин волн 140...180 нм.

Для обеспечения прохождения света через выходное окно последнее изготовлено из кристалла фтористого магния MgF₂ (диаметр рабочей части окна 46 мм, толщина 2 мм). Толщина окна выбирается исходя из двух условий: обеспечения механической прочности конструкции и допустимого уровня поглощения излучения в самом кристалле. Толщина 2 мм является оптимальной и удовлетворяет указанным взаимно противоречивым требованиям. Через выходное окно детектора в этом случае проходит около 90% электролюминесценции ксенона.

Этот свет регистрируется с помощью ФЭУ. Для большинства ФЭУ область прозрачности и спектральной чувствительности фотокатода лежит в диапазоне 185.. .600 нм. Выпускается ФЭУ с окном из кристалла MgF₂, для которых область спектральной чувствительности лежит в области 115...200 нм. Однако выбор ФЭУ с окном из кристалла MgF₂ крайне ограничен, а стоимость велика. Так, фирма Hamamatsu (Япония), лидер в мировом производстве фотоумножителей, выпускает всего один ФЭУ-2050 с диаметром окна из кристалла MgF₂, большим 40 мм.

Использование ФЭУ с большим диаметром фотокатода имеет важное значение для обеспечения постоянства энергетического разрешения по всей площади входного окна, поскольку установлено, что амплитуда импульса с ФЭУ зависит от телесного угла, под которым фотокатод видит область электролюминесценции от данного события поглощения рентгеновского кванта. Чем меньше различие в телесных углах, тем меньше энергетическое разрешение будет зависеть от диаметра диафрагмы.

Для согласования спектра излучения рабочего газа со спектральной чувствительностью фотокатода был использован смеситель спектра п-терфенил, являющийся одним из лучших смесителей спектра, т.к. максимум спектра его излучения составляет 420. . .430 нм и соответствует максимуму спектральной характеристики наиболее распространенных ФЭУ. Толщина слоя п-терфенила t_М, при которой световыход составляет 90% от максимальной величины, равна 0,55 мг/см². Практически был использован слой п-терфенила толщиной 1 мг/см², который напылялся в вакууме на наружную поверхность выходного окна из кристалла MgF₂. При этом исключается попадание многоатомных органических примесей в ксенон, который находится в детекторе.

Эффективность преобразования спектра при использовании сместителя спектра очень высока. При этом значительно расширяется возможность выбора ФЭУ с большим диаметром фотокатода (40 мм). В конкретном рассматриваемом варианте был использован ФЭУ-184 с диаметром фотокатода 46 мм.

Предложенный отпаянный электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения по сравнению с лучшими известными образцами аналогичного назначения позволяет существенно повысить технические параметры прибора.

В конкретном примере выполнения в условиях мелкосерийного производства было получено энергетическое разрешение (на линии MnK_α E = 5,9 кэВ) в пределах 8,5...9% при диаметре входного окна детектора до 20 мм. Достигнутое энергетическое разрешение в лучших лабораторных образцах известных аналогичных детекторов заметно хуже и составляло 8,5...10% [1, 3], а в серийных образцах - 9. ..10% [2] при диаметре входного окна до 15 мм. Повысилась стабильность положения пика амплитудного распределения импульсов с детектора за счет использования ФЭУ со стабильным коэффициентом электронного умножителя по сравнению с лабораторными и серийными детекторами [1, 2, 3], требующими зачастую принудительной системы стабилизации положения пика.

Значительно улучшились эксплуатационные характеристики детектора. Существенно расширился выбор типа ФЭУ, что позволило использовать ФЭУ с большим фотокатодом, которые в отличие от известных конструкций [1, 2, 3] не имеет специальных окон, прозрачных для вакуумного ультрафиолета. Повышена долговечность детектора за счет возможности использования ФЭУ с окном из обычного стекла, не пропускающего гелий из атмосферы, как это имеет место при использовании ФЭУ с окном из кварцевого стекла.

Перечисленные преимущества предлагаемой согласно изобретению конструкции детектора обеспечиваются за счет формирования смесителя спектра в виде тонкой пленки заданной толщины на наружной поверхности выходного окна детектора, которое находится в оптическом контакте с окном ФЭУ.

По заявляемому техническому решению разработан комплект конструкторской и технологической документации, изготовлена опытная партия детекторов и проведен комплекс испытаний с получением положительных результатов.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в существенном повышении функциональных параметров и улучшении условий эксплуатации отпаянных электролюминесцентных детекторов ионизирующего излучения, что значительно расширяет возможности решения различных технических задач в таких областях, как рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, рентгеновская астрономия, ядерная физика и т.д.

Литература.

1. A.J.P.L. Policarpo, M.A.F.Alves, M.C.M. Des Santos, M.J.T. Carvalho, Nucl. Jnstrum. and Methods, 1972, 102, 337.

2. Д. А.Гоганов, А.А.Шульц, В.Б.Элькинд. Отпаянный газовый электролюминесцентный детектор рентгеновского излучения с фокусирующей системой, ПТЭ, 1984, N 2, 206-208.

3. K. Koyma, M.Jnoe, M.Matsuka, Nucl. Jnstrum. and Methods, 1978, 148, 257.

Формула изобретения

Отпаянный электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения, содержащий газонаполненный корпус, входное окно, прозрачное для ионизирующего излучения, систему электродов, на которые подается электрическое напряжение и которые образуют в объеме детектора зону поглощения ионизирующего излучения и зону электролюминесценции, а также выходное окно, находящееся в оптическом контакте с фотоэлектронным умножителем, и смеситель спектра, отличающийся тем, что смеситель спектра нанесен на внешнюю поверхность выходного окна детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1