ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК G01T1/28 

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к ядерно-физическим детекторам фотонов, обладающим высоким разрешением.

Известны фотоэлектронные умножители (ФЭУ) диаметром 230 мм ХР 1802 с разбросом времен пролета не более 1,4 нс. Временное разрешение ФЭУ обеспечивается, в основном, использованием стеклооболочки, большая часть которой выполнена в виде эллипсоида, а также достаточно высокой эффективностью первого динода и умножительной системы в целом [1]
Недостатком известного ФЭУ является то, что рабочая поверхность фотокатода имеет телесный угол существенно меньше 2 π, что обусловлено эллипсоидной формой стеклооболочки, кроме того, величина выходного сигнала зависит от ориентации ФЭУ в магнитном поле Земли, что вызвано большим объемом входной камеры и недостаточно высокой разностью потенциалов между фотокатодом и первым динодом.

Известен также детектор излучения, основной часть которого является фотоэлектронный прибор, состоящий из камеры предусиления, выполняющей функции первого каскада усиления обычного ФЭУ и обеспечивающей сбор электронов, эмиттированных из фотокатода, нанесенного на внутреннюю поверхность стеклооболочки сферической формы, на выходной люминесцентный экран, а также ФЭУ малого диаметра, размещенного в углублении камеры предусиления и имеющего оптический контакт с ее выходным люминесцентным экраном [2] Высокая разность потенциалов (10 30 кВ), которую можно создать в первом каскаде усиления такого прибора, то есть между фотокатодом и люминесцентным экраном камеры предусиления, делает его практически нечувствительным к магнитному полю Земли.

Недостатком известного детектора излучения является то, что для обеспечения достаточно малого диаметра пятна сбора фотоэлектронов с фотокатода в телесном угле 2π на экран, последний отодвинут от центра сферы стеклооболочки камеры предусиления в направлении от катода, что приводит к возрастанию разности времен пролета фотоэлектронов, вылетевших из разных точек фотокатода. В известном детекторе излучения эта величина составляет 5 нс, что является ограничивающим фактором при его использовании в ядерно-физических экспериментах, требующих более высокого временного разрешения.

Цель изобретения улучшение временного разрешения.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектронном приборе, состоящем из камеры предусиления, содержащей стеклооболочку с фотокатодом на внутренней поверхности и люминесцентный экран, расположение и устройство которого обеспечивает сбор фотоэлектронов с фотокатода, и фотоэлектронного умножителя, имеющего оптический контакт с люминесцентным экраном камеры предусиления, основная часть стеклооболочки камеры предусиления имеет грибообразную форму, поверхность купола которой, представляющая собой сегмент сферы большого радиуса с телесным углом несколько меньшим 2π, плавно переходит в поверхность, образованную вращением сегмента эллипса, большая ось которого смещена от центра сферы к куполу, вокруг его малой оси, совпадающей с осью сегмента сферы. Фотокатод занимает всю сферическую поверхность стеклооболочки и часть переходной поверхности малого радиуса, при этом общая рабочая поверхность фотокатода позволяет регистрировать падающее извне излучение в пределах телесного угла по меньшей мере 2π. Такая форма основной части стеклооболочки гарантирует оптимальный сбор фотоэлектронов на люминесцентный экран, обеспечивая в то же время разницу во времени пролета электронов от различных точек фотокатода в пределах всей его рабочей поверхности не превышающую 0,8 нс. Кроме того, все стеклянные элементы конструкции, находящиеся на пути прохождения излучения от люминесцентного экрана к фотокатоду ФЭУ, выполнены из стекла, имеющего высокий коэффициент пропускания в коротковолновой области спектра, стеклооболочки камеры предусиления и ФЭУ выполнены большей частью из низкофонового стекла. Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый фотоэлектронный прибор отличается от известного грибообразной формой выполнения стеклооболочки камеры предусиления, материалом, из которого выполнены стеклянные элементы конструкции прибора и большая часть стеклооболочек камеры предусиления и ФЭУ. Таким образом, заявляемый фотоэлектронный прибор соответствует критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый фотоэлектронный прибор; на фиг. 2 представлена стеклооболочка грибообразной формы камеры предусиления и показаны траектории электронов.

Предлагаемый фотоэлектронный прибор состоит из камеры предусиления, содержащей стеклооболочку 1 грибообразной формы, фотокатод 2 с выводом 3, соединенный с внешним электропроводящим покрытием 4, люминесцентный экран 5 с выводом 6 и фотоэлектронного умножителя 7, помещенного в гнездо, образованное стаканчиком 8 и углублением в стеклооболочке 1. Поверхность купола грибообразной стеклооболочки 1, представляющая собой сегмент сферы большого радиуса R₁, например 187 мм (фиг. 2), с телесным углом несколько меньше 2π, например 158^о, плавно переходит (радиус скругления R₂, например, 60 мм) в поверхность, образованную вращением сегмента эллипса с радиусом R₃, например 185 мм, причем большая ось эллипса смещена относительно центра сферы в направлении купола на расстояние a, например 120 мм, а расстояние от малой оси эллипса, совпадающей с осью сферы, до фокуса составляет b, например, 45 мм. Противоположная от купола часть стеклооболочки представляет собой цилиндрическую горловину диаметром 140 мм с размещенным в ней стеклянным стаканом, на торце которого закреплен люминесцентный экран.

Предлагаемый фотоэлектронный прибор работает следующим образом.

При попадании излучения на фотокатод 2 (фиг. 1) камеры предусиления, находящийся на внутренней поверхности стеклооболочки 1, с него эмиттируются электроны, которые ускоряются электрическим полем, которое создается напряжение 10 30 кВ, приложенным к выводам 3 и 6 фотокатода 2 и люминесцентного экрана 5, в направлении люминесцентного экрана 5. Излучение люминесцентного экрана 5 регистрируется фотоэлектронным умножителем 7, помещенным в гнездо, образованное стаканчиком 8 и углублением в стеклооболочке 1. Оптический контакт ФЭУ 7 с люминесцентным экраном 5 камеры предусиления обеспечивается с помощью иммерсионной среды, например масла или специального вазелина. Для создания электронно-оптической системы, обеспечивающей оптимальный сбор фотоэлектронов на экран 5, а также для предотвращения световых эффектов, связанных с наличием высокого напряжения на камере предусиления, на часть наружной поверхности стеклооболочки 1 нанесено электропроводящее покрытие 4. Все стеклянные элементы конструкции камеры предусиления и ФЭУ 7, находящиеся на пути прохождения излучения от люминесцентного экрана 5 камеры предусиления к фотокатоду ФЭУ 7, выполнены из стекла, имеющего высокий коэффициент пропускания во всей области спектра излучения люминофора. Таким стеклом может быть, например, кварцевое. Это позволяет улучшить временное разрешение не менее, чем на 20% Стеклооболочки камеры предусиления и ФЭУ 7 выполнены большей частью из низкофонового стекла. Наличие паразитных импульсов, рожденных в толще стеклооболочки, как известно, ограничивает возможности регистрации излучения с очень низкой интенсивностью. Паразитные импульсы, появляющиеся в толще стекла, вызваны, в основном, присутствием изотопа калия-40, а также урана и тория. Например, стекло марки С-95 имеет собственный уровень фона порядка 60-70 имп/с на 1 кг массы,а специальное бескалиевое стекло марки С-49 порядка 5 имп/с на 1 кг массы. Выполнение стеклооболочек большей частью из низкофонового стекла позволяет снизить уровень собственного фона до 0,2-0,5 имп/с на 1 кг массы. Масса стеклооболочек достаточна велика и составляет 3-4 кг. Замена марки стекла позволяет снизить уровень паразитных импульсов более, чем на порядок.

Использование предлагаемого фотоэлектронного прибора позволяет улучшить временное разрешение без ухудшения остальных параметров, что позволит расширить область применения фотоэлектронных приборов, используемых в детекторах излучения. Использование предлагаемого фотоэлектронного прибора позволяет создавать наземные черенковские телескопы для поиска источников гамма-квантов, подземные детекторы, способные регистрировать солнечные нейтрино.

Область использования: изобретение относится к электронной технике, а именно к ядерно-физическим детекторам фотонов, обладающим высоким расширением. Сущность изобретения: фотоэлектронный прибор состоит из камеры предусиления, содержащей стеклооболочку с фотокатодом на внутренней поверхности и люминесцентный экран, расположение и устройство которого обеспечивает сбор фотоэлектронов с фотокатода, и фотоэлектронного умножителя, имеющего оптический контакт с люминесцентным экраном камеры предусиления. Новым является то, что стеклооболочка камеры предусиления имеет грибообразную форму. Кроме того, все стеклянные элементы конструкции, находящиеся на пути прохождения излучения от люминесцентного экрана к фотокатоду фотоэлектронного умножителя, выполнены из стекла, имеющего высокий коэффициент пропускания в коротковолновой области спектра, а большая часть стеклооболочек выполнена из низкофонового стекла. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР, состоящий из камеры предусиления, содержащей стеклооболочку с фотокатодом на внутренней поверхности и люминесцентный экран, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), имеющего оптический контакт с люминесцентным экраном камеры предусиления, отличающийся тем, что, с целью улучшения временного разрешения, основная часть стеклооболочки камеры предусиления представляет собой сегмент сферы большего радиуса с телесным углом меньше 2π, плавно переходит в поверхность, образованную вращением сегмента эллипса, вокруг его малой оси, совпадающей с осью сегмента сферы. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что все элементы конструкции, находящиеся на пути прохождения излучения от люминесцентного экрана к фотокатоду ФЭУ, выполнены из стекла, имеющего высокий коэффициент пропускания в коротковолновой области спектра. 3. Прибор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что стеклооболочка камеры предусиления и ФЭУ выполнены из низкофонового стекла.