Блок детекторов для измерения фотонного излучения

Авторы патента:

ЧУКЛЯЕВ Сергей Васильевич (RU)

H01J47/00 - Приборы для определения наличия, интенсивности, плотности и энергии излучения или частиц (фотоэлектрические разрядные приборы, в которых не происходит ионизация газа, H01J 40/00)

G01T1/1603 - Измерение рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений (G01T 3/00,G01T 5/00 имеют преимущество)

G01T1/16 - измерение интенсивности излучения (G01T 1/29 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2683786:

ЧУКЛЯЕВ Сергей Васильевич (RU)

Изобретение относится к области регистрации фотонного излучения и касается блока детекторов для измерения фотонного излучения. Блок детекторов содержит первую разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, и вторую разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания. Чувствительность к фотонному излучению газонаполненной системы электродов превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем. Технический результат заключается в расширении линейного диапазона измерения мощности излучения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области технической физики, а точнее - к области регистрации фотонного излучения. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при изготовлении и применении узлов, блоков детекторов, каналов для измерения мощности фотонного излучения в реакторах, критических сборках, электроядерных установках и тормозного излучения в ускорителях заряженных частиц.

Известна газонаполненная ионизационная камера КГК-2, содержащая систему электродов, разделенных газонаполненным межэлектродным промежутком (см., например, Кошелев А.С., Довбыш Л.Е., Хоружий В.Х., Чукляев С.В. Детектор мощности гамма-излучения типа КГК-2 для диагностики полей излучений ядерных реакторов в диапазоне от 1 мкГр/с до 100 Гр/с. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов. 2012. Вып. 3. С. 43-50).

Работа газонаполненной ионизационной камеры основана на измерении электрического тока, возникающего в результате ионизации газа в межэлектродном промежутке быстрых вторичными электронами, вылетающих из материала электродной системы под воздействием фотонного излучения.

Недостатком этого детектора является ограничение линейного электрического тока объемным зарядом, создаваемым в межэлектродном промежутке ионами газа, возникающими под воздействием фотонного излучения.

Известен вторично-эмиссионный детектор (ВЭД) фотонного излучения на основе вакуумной камеры, содержащий заключенную в герметичном корпусе систему электродов, разделенных вакуумированным межэлектродным промежутком (см., например, Чукляев С.В., Довбыш Л.Е., Кошелев А.С. Вакуумные камеры деления и вторично-эмиссионные детекторы - эффективный инструмент измерения характеристик γ- и нейтронного излучения интенсивных источников. Атомная энергия. 2010. Том 108. Вып. 6. С. 347-352).

Работа ВЭД основана на измерении электрического тока медленных вторичных электронов, выходящих с поверхности электродов под воздействием фотонного излучения.

Недостатком является низкая чувствительность к фотонному излучению по сравнению с газонаполненной конструкцией.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что блок детекторов для измерения фотонного излучения, содержащий разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, дополнительно содержит разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, при этом чувствительность к фотонному излучению газонаполненной электродной системы превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем, а предназначенные для соединения с источником электрического напряжения питания электроды электрически соединены межу собой.

Предложенное устройство удовлетворяет критерию изобретения «новизна» и «изобретательский уровень» несмотря на известность некоторых использованных признаков, так как совокупность изложенных признаков позволяет существенно расширить линейный диапазон измерений мощности фотонного излучения за счет установленного соотношения между характеристиками вакуумированной и газонаполненной электродными системами ионизационных камер.

Ниже изложен пример конкретного выполнения устройства со ссылками на прилагаемые чертежи и таблицы, на которых

Фиг. 1 изображает схему блока ионизационных камер по п. 1 формулы.

Фиг. 2 изображает схему блока ионизационных камер по п. 2 формулы.

Фиг. 3 изображает схему устройства вакуумной камеры типа ВЭД.

Фиг. 4 изображает электродную систему и внешний вид камеры газонаполненной компенсированной типа КГК.

Фиг. 5 изображает зависимость электрического тока вакуумированной и газонаполненной электродных систем от мощности поглощенной дозы фотонного излучения.

Таблица 1 представляет основные характеристики ВЭД-2 и камеры КГК-2.

Блок детекторов 1 (фиг. 1) содержит разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком 2 систему двух электродов 3 и 4, один из которых 3 предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания 5, и разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком 6 систему двух электродов 7 и 8, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания 5, при этом чувствительность к фотонному излучению газонаполненной электродной системы превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более, чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем, а предназначенные для соединения с источником электрического напряжения питания электроды электрически соединены межу собой (фиг. 2). Изоляция электродов от корпуса 1 осуществляется посредством электрических вводов 9.

В состав блока могут входить вторично-эмиссионный детектор типа ВЭД и газонаполненная ионизационная камера типа КГК.

Вторично-эмиссионный детектор ВЭД-2 представляет систему двух электродов 10, размещенных в цилиндрическом корпусе 11 из нержавеющей стали аустенитного класса (фиг. 3). Толщина стенки корпуса 0,8 мм, внешний диаметр 50 мм. Каждый электрод содержит набор элементов, изготовленных в форме сегментов сферической поверхности, и соединены между собой тремя металлическими рейками 12. Элементы получены формовкой в сферической матрице радиусом 55 мм плоских заготовок - дисков из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 44 и толщиной около 0,35 мм с вырезами для прокладки несущих реек и выступами, которые при сборке электродной системы заведены в отверстия этих реек, загнуты и скреплены с последними электросваркой. Отверстия в рейках изготовлены так, что каждый элемент сигнального электрода оказывается размещенным между элементами высоковольтного электрода, предназначенным для соединения с внешним источником электрического напряжения питания. Расстояние между поверхностями соседних элементов разноименных электродов 1,0-1,6 мм не превышает высоты сегментной поверхности. Такая конфигурация электродной системы обеспечивает электронное равновесие в чувствительном объеме детектора независимо от направления распространения фотонов. Рейки разноименных электродов опираются на изоляторы 13 из высокоглиноземистой керамики. Одна из реек каждого электрода соединена токоведущим проводником с отдельным электрическим выводом 14, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным в крышку корпуса.

Детектор вакуумирован при температуре 650 К. Давление остаточных газов в отпаянной конструкции не превышает 1⋅10^-3 Па.

Электроды детектора соединены с внешним источником электрического напряжения питания посредством кабельной вставки 15 из кабеля марки КТГВО-0,5 с радиочастотными разъемами 16 марки СР-75-154ФВ.

Камера КГК-2 (фиг. 4) представляет систему электродов 10, размещенных в цилиндрическом корпусе 11 из нержавеющей стали аустенитного класса. Толщина стенки корпуса 0,8 мм, внешний диаметр 50 мм. Каждый электрод содержит набор дисков из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 44 и толщиной около 0,35 мм с вырезами для прокладки несущих реек и выступами, которые при сборке электродной системы заведены в отверстия этих реек, загнуты и скреплены с последними электросваркой. Отверстия в рейках изготовлены так, что каждый диск сигнального электрода оказывается размещенным между дисками высоковольтных электродов. Расстояние между поверхностями соседних элементов разноименных электродов 1,6 мм. Рейки разноименных электродов опираются на изоляторы 13 из высокоглиноземистой керамики. Одна из реек каждого электрода соединена токоведущим проводником с отдельным электрическим вводом 14, изготовленным из спая корундовой керамики с коваром и вваренным, в крышку корпуса. Детектор после отжига в вакуумной печи заполнен газовой смесью на основе аргона. Давление газа в отпаянной конструкции составляет 0,45 МПа.

Основные характеристики ВЭД-2 и КГК-2 приведены в таблице.

Устройство работает следующим образом. При создании внешним источником 5 электрического напряжения питания на один из электродов вакуумированной и газонаполненной конструкций в межэлектродных промежутках возникают электрические токи. Значения электрических токов вакуумированной I_ν и газонаполненной I_g конструкций под воздействием внешнего фотонного излучения связано с мощностью дозы P_γ соотношениями

I_ν=I_γν+I_фν=K_γνP_γ+I_фν,

I_g=I_γg+I_фg=K_γgP_γ+I_фg,

где I_γν, I_γg - электрические токи, возникающие в вакуумированной и газонаполненной конструкциях соответственно под воздействием фотонного излучения, K_γν, I_фν - чувствительность к фотонам и собственный фоновый ток вакуумированной конструкции при отсутствии внешнего облучения соответственно, K_γg, I_фg - чувствительность к фотонам и собственный фоновый ток газонаполненной конструкции при отсутствии внешнего облучения соответственно.

Нагрузочные характеристики вакуумированной 17 и газонаполненной 18 конструкций показаны на фиг. 5. Линейный участок нагрузочной характеристики при низкой мощности фотонного излучения ограничен собственным фоновым током. При отсутствии радиоактивных нуклидов и загрязнений в камерах I_фg=I_фν=I_ф≤1⋅10^-12 А. Минимальные значения мощности дозы P_γ1 и P_γ2, при которых относительное отклонение электрических токов в газонаполненной и вакуумированной конструкций от линейных не превышает δ, определяются соотношениями

P_γ1=I_ф/δK_γg и P_γ2=I_ф/δK_γν.

Максимальный линейный ток в газонаполненной конструкций ограничен объемным зарядом, создаваемым ионами газа в межэлектродном промежутке. Максимальное значение мощности дозы P_γ3, при которой относительное отклонение электрического тока в газонаполненной конструкций от линейной не превышает δ, значения P_γ1 и P_γ2 обозначены на фиг. 5 при условии, что значение δ=0,05.

Когда линейные участки нагрузочных характеристик газонаполненной и вакуумированной конструкций пересекаются, то можно записать соотношение

P_γ1≤P_γ2≤P_γ3.

Из этого соотношения следует

P_γ1/P_γ3=1/D≤P_γ2/P_γ3≤1/χ,

1≤P_γ2/P_γ1≤D/χ,

где D=P_γ3/P_γ1 - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем. Учитывая соотношения между минимальными значениями мощности дозы, можно записать

K_γν≤K_γg≤(D/χ)K_γν.

В условиях выполнения соотношения Брэгга - Грея и полного собирания носителей заряда электрические токи в вакуумированной I_γν и газонаполненной I_γg элетродных системах связаны с мощность дозы фотонного излучения, поглощенной в вакуумированной P_γν и газонаполненной P_γg электродных системах, соотношениями

I_γν=e⋅κ⋅S⋅P_γν; ,

где e - заряд электрона; κ, S - эмиссионная способность материала и площадь электрода-эмитера соответственно; ƒ - отношение массовой тормозной способности материала электродной системы и газа в газонаполненной кострукции; w_i, ρ, V - средняя энергия образования ионов, плотность газа и чувствительный объем в газонаполненной конструкции. (1 Гр = 1 Дж/кг; 1 эВ = 1,60⋅10^-19 Дж).

Когда ослабление потока фотонов стенкой корпуса вакуумированной и газонаполненной конструкциями одинаково, то P_γν=P_γg и отношение I_γν/I_γg~ƒ. Значение ƒ аргона и стали не зависит от энергии фотонного излучения. Следовательно, энергетические чувствительности вакуумированной и газонаполненной электродных систем, изготовленных из одного и того же материала, совпадают.

Предложенное техническое решение позволяет измерять мощность фотонного излучения в реакторах, критических сборках, радиационных установках с изотопными источниками, ускорителях заряженных частиц и электроядерных установках в интервале от 1 мкГр/с до 1⋅10⁹ Гр/с при энергии фотонов в интервале от 0,1 до 15 МэВ.

1. Блок детекторов для измерения фотонного излучения, содержащий разделенную вакуумированным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, отличающийся тем, что блок дополнительно содержит разделенную газонаполненным межэлектродным промежутком систему двух электродов, один из которых предназначен для соединения с источником электрического напряжения питания, при этом чувствительность к фотонному излучению газонаполненной системы электродов превышает чувствительность вакуумированной электродной системы не более чем в D/χ раз, где D - относительный линейный диапазон нагрузочной характеристики газонаполненной электродной системы; 1<χ<D - коэффициент перекрытия линейных участков нагрузочных характеристик вакуумированной и газонаполненной электродных систем.

2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что предназначенные для соединения с источником электрического напряжения питания электроды электрически соединены между собой.

Изобретение относится к средствам измерений в физике плазмы и физике заряженных частиц. Устройство для исследования плазмы, создаваемой импульсами лазера, состоит из вакуумной камеры с облучаемой мишенью, время-пролетной трубы, электростатического анализатора энергоспектра ионов, детектора заряженных частиц, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ), датчика импульса лазерного излучения и двухканального осциллографа.

Способ определения энергетического спектра электронов в электронном пучке // 2523424

Изобретение относится к технике измерения электрических величин, а также к технике определения характеристик электронных потоков с магнитным удержанием и может быть использовано в высоковольтных и сильноточных электронно-лучевых приборах, находящих применение в электронной технике, при реализации разнообразных технологических процессов и в физическом эксперименте.

Устройство регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора // 2522504

Устройство предназначено для использования в космической технике, в частности для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора. Устройство регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора содержит подложку, которая представляет собой микроканальную пластину, играющая одновременно роль коллектора иона и соединенную с источником высокого напряжения, а анод микроканальной пластины соединен с усилителем, соединенным с блоком обработки сигналов.

Гибридная фоточувствительная схема (гфс) // 2519052

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоспектральных и многоэлементных фотоприемников. Гибридная фоточувствительная схема содержит алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с чувствительными площадками, расположенными на нем в шахматном порядке в виде прямоугольной матрицы и по числу равными числу индиевых столбиков.

Гибридная фоточувствительная схема (гфс) // 2504043

Гибридная фоточувствительная схема содержит: алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с чувствительными площадками. В состав МФП входят: верхний плоский электрод, на который подается напряжение смещения, алмазная пластина и нижние электроды чувствительных элементов алмазного МПФ, с которых снимается сигнал.

Система считывания информации со стримерных камер // 2327209

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, а именно к системам сбора данных в исследованиях по ядерной физике и физике элементарных частиц, и может быть использовано для сбора информации со стримерных камер координатных детекторов годоскопического типа большой площади.

Система прецизионной корректировки и управления движением отдельных заряженных частиц // 2303311

Изобретение относится к области научного приборостроения, позволяет создавать и исследовать объекты размерами до 10 -10 метра. .

Способ безынерционного измерения концентрации радона в воздухе и устройство для его реализации // 2199766

Способ безынерционного определения концентрации радона в воздухе и устройство для его осуществления // 2193784

Способ безынерционного измерения концентрации радона в воздухе // 2183842

Изобретение относится к области ядерной физики и техники и может быть использовано для создания детекторов для контроля радиоактивности окружающей среды и обнаружения быстрого изменения концентрации радона в воздухе.

Способ получения поликристаллических сцинтилляционных материалов в форме порошков // 2682554

Изобретение относится к технологии получения поликристаллических сцинтилляционных материалов, применяемых в различных областях науки и техники, важнейшими из которых являются: медицинские и промышленные томографы, системы таможенного контроля и контроля распространения радиоактивных материалов, приборы дозиметрического контроля, различные детекторы для научных исследований, применяемые в физике высоких энергий и астрофизике, оборудование для геофизических исследований для нефте- и газоразведки.

Способ регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения // 2681659

Изобретение относится к области регистрации ионизирующего излучения и касается способа регистрации распределения интенсивности мягкого рентгеновского излучения при наличии в спектре паразитного видимого и инфракрасного излучения.

Способ и устройство для выделения сигналов в данных // 2681377

Изобретение относится к области вычислительной техники для восстановления данных от устройства обнаружения излучения, которые были подвержены наложению импульсов.

Способ гамма-радиографической интроскопии // 2680849

Изобретение относится к области радиографической интроскопии, точнее к гамма-радиографической интроскопии массивных деталей и заготовок из тяжелых металлов. Способ гамма-радиографической интроскопии дополнительно содержит этапы, на которых располагают детекторы на минимальном расстоянии между собой, а изображение просвечиваемого объекта формируют путем накопления координат взаимодействий с тонким координатным детектором-рассеивателем тех прошедших через просвечиваемый объект гамма-квантов, которые одновременно оставили в обоих детекторах суммарную энергию, равную исходной, причем независимо от места поглощения в толстом детекторе полного поглощения гамма-квантов, комптоновски рассеянных тонким детектором.

Способ обнаружения и локализации подвижных источников ионизирующих излучений // 2680671

Изобретение относится к области радиационного контроля (РК). Сущность изобретения заключается в том, что способ обнаружения и локализации подвижных источников ионизирующих излучений (ИИИ) в зоне контроля дополнительно содержит этапы, на которых располагают УД таким образом, чтобы контрольная полуплоскость - продолжение биссекторной плоскости упомянутого двугранного угла - пересекала траекторию перемещения контролируемых объектов в зоне контроля, вырабатывают сигнал «ОБНАРУЖЕНИЕ» при выполнении условия |Δn(t)|>Кэф⋅|±3 σ(tb)|, где Кэф>1 - коэффициент эффективности критерия обнаружения, σ(tb) - среднеквадратическое отклонение сигнала Δn(tb), усредняемого за время tb, достаточное для получения статистики требуемого качества, в интервалах времени, когда отсутствует сигнал об обнаружении, определяют по знаку сигнала Δn(t) сторону, с которой приближается объект контроля с обнаруженным ИИИ, вычисляют максимум модуля скорости изменения разностного сигнала max|dΔn(t)/dt|1 до смены ее знака и max|dΔn/dt|2 - после смены и вырабатывают сигнал «ЛОКАЛИЗАЦИЯ» (момент времени пересечения обнаруженным источником зоны контроля) после смены знака разностного сигнала Δn(t) и при выполнении условия max|dΔn(t)/dt|2 > max|dΔn(t)/dt|1.

Способ визуализации в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения // 2679193

Изобретение относится к иконике для создания систем визуализации в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и других участках спектра электромагнитных излучений.

Устройство обнаружения медленных нейтронов // 2676952

Изобретение относится к обнаружению медленных нейтронов. Устройство обнаружения медленного нейтрона содержит первый преобразователь медленных нейтронов и второй преобразователь медленных нейтронов, выполненные с возможностью взаимодействия с падающими нейтронами и генерирования электронов, устройство умножения и считывания электронов, расположенное между первым преобразователем медленных нейтронов и вторым преобразователем медленных нейтронов и выполненное с возможностью умножения и считывания электронов, причем устройство умножения и считывания электронов содержит первый катодный проводной набор, второй катодный проводной набор и проводной набор считывающего электрода.

Протравленные лазером сцинтиллирующие кристаллы для повышенной эффективности // 2676798

Группа изобретений относится к системам формирования изображений позитронно-эмиссионной томографии (PET). Детекторная матрица для системы формирования изображений содержит матрицу сцинтиллирующих кристаллов, при этом каждый кристалл включает в себя множество боковых поверхностей, причем по меньшей мере фрагмент по меньшей мере одной боковой поверхности сцинтиллирующего кристалла сконфигурирован лазерным травлением боковой поверхности, чтобы диффузно отражать свет обратно в по меньшей мере один кристалл; и матрицу фотодатчиков, оптически связанную с матрицей сцинтиллирующих кристаллов.

Планарный полупроводниковый детектор // 2672039

Планарный полупроводниковый детектор предназначен для регистрации излучений в ядерной физике, физике высоких энергий, а также в цифровых аппаратах, регистрирующих заряженные частицы, гамма-кванты и рентгеновское излучение.

Люминофор и детектор излучения // 2670919

Изобретения относятся к области медицины, физики высоких энергий и разведки природных ресурсов и могут быть использованы в томографах и счётчиках излучения. Люминофоры со структурой граната содопированы одновалентным или двухвалентным катионом по меньшей мере одного типа при молярном отношении 7000 м.д.

Способ обучения определению области радиационной аварийной ситуации на основе смоделированной аварии // 2669871

Изобретение относится к способу обучения определению области радиационной аварийной ситуации на основе смоделированной аварии. Технический результат – обеспечение способа обучения определению области радиационной аварии аналогично реальной радиационной аварийной ситуации.