ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N23/207 G01T1/185 H01J47/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной рентгеновской технике и предназначено для регистрации и оценки интерференционной картины дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке.

Известен детектор рентгеновского излучения, состоящий из входного окна и датчика с резистивным покрытием в виде плоских многонитевых пропорциональных камер (ПМПК) с числом каналов от 16 до 64000 /1-4/. Особенности конструкции ПМПК заключаются в наличии плоского дрейфового промежутка, в съеме обеих координат с катодных плоскостей, в больших размерах эффективной зоны (350х320 мм), в большом числе каналов (256х256), в меньшем шаге дискретизации в ЭВМ по сравнению с шагом анодных проволочек.

Однако недостатком известного детектора является малая разрешающая способность, а также сложность и громоздкость конструкции.

Наиболее близким к заявляемому по техническому решению является детектор рентгеновского излучения, состоящий из входного окна и датчика с резистивным покрытием - Раникон /5/.

Однако недостатком детектора такой конструкции является малая разрешающая способность, а также сложность и громоздкость конструкции.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение габаритов и массы прибора, а также повышение точности и объема информации об объекте и сокращение времени экспозиции.

Поставленная цель достигается за счет того, что в детекторе рентгеновского излучения, состоящем из входного окна и датчика с резистивным покрытием, в соответствии с предлагаемым изобретением, детектор выполнен в виде двух вложенных одна в другу полусферических поверхностей, пространство между которыми заполнено рабочим газом, а в их общем центре, расположенном на оси симметрии отверстия защитной кольцевой пластины, помещается объект контроля, при этом окном детектора является внутренняя полусферическая поверхность, выполненная из бериллия и служащая катодом, а внешняя - служащая анодом и, одновременно, датчиком, с резистивным покрытием, обращенным к катоду, имеет не менее трех токосъемников, равномерно распределенных вдоль экваториальной части внешней полусферической поверхности.

Предлагаемый детектор поясняется чертежом, где 1 - внутренняя полусферическая поверхность из бериллия, служащая катодом; 2 - внешняя полусферическая поверхность, являющаяся датчиком с резистивным покрытием (анод), 3 - объект контроля; 4 - токосъемник; 5 - стеклянная подложка анода; 6 - защитная кольцевая пластина с отверстием; 7 - индуктивно-резистивные линии задержки; 8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 9 - ЭВМ; 10 - источник излучения.

Детектор рентгеновского излучения состоит из двух подобных полусферических поверхностей 1 и 2, пространство между которыми заполнено рабочим газом, а в их общем центре может быть помещен объект контроля 3, при этом окном детектора является внутренняя поверхность, выполненная из бериллия и служащая катодом 1, а внешняя 2 - служащая анодом и, одновременно, датчиком, с резистивным покрытием, обращенным к катоду 1, имеет не менее трех токосъемников 4, равномерно распределенных вдоль экваториальной части внешней полусферической поверхности 2, которая опирается на стеклянную подложку анода 5. Две полусферы электрически изолированы и имеют в основании защитную пластину 6 с малым отверстием для входа рентгеновских лучей. Пространство между двумя полусферами заполнено рабочим газом (смесь: ксенон-аргон-метан).

В процессе работы детектора между катодом 1 и анодом 2 блоком питания создается высокое напряжение (2-4 кВ), способствующее при ионизации вызвать коронный разряд, не вызывая лавинного, а токосъемники 4 через линии задержки 7 связываются с АЦП 8 и ЭВМ 9.

Предлагаемый детектор работает следующим образом.

Первичный пучок рентгеновских лучей, проходя от источника излучения 10 через образец 3, вызывает диффракцию на кристаллической решетке образца 3. Рентгеновский квант дифрагированного излучения, проходя через тонкую оболочку бериллиевого окна 1, ионизирует в направлении своего движения газовую смесь и приводит к перемещению от катода 1 к аноду 2 определенного заряда. Попадая на анодно-резистивное покрытие 2, заряды по кратчайшим путям устремляются к токосъемникам 4, которые через индуктивно-резистивные линии задержки 4 передают их на аналого-цифровые преобразователи 8, где после усиления и дискриминации они пригодны для обработки в ЭВМ 9. Восстанавливается форма, размер и интенсивность интерференционных максимумов, точное их положение на сфере Эвальда для дальнейшей работы с ними в зависимости от задач исследования. Разрешение непрерывного анодно-резистивного покрытия 2 не имеет принципиальных и конструктивных ограничений и связано только с техническими возможностями временных (1-10 нс) микросхем.

В основу принципа построения полусферического детектора рентгеновского излучения заложены следующие принципы:
равные скорости распространения зарядов к токосъемникам в псевдодвухмерном непрерывном резистивном слое;
разное время прохождения заряда для разных токосъемников в случае несимметричного образования заряда;
однозначность в определении координат рентгеновского кванта, так как любой дифрагированный луч при полусферической конструкции детектора нормален к вогнутым поверхностям бериллиевского окна (катода) и анодно-резистивного слоя, и ионизированный газовый канал точно передает заряд с катода на анод по траектории рентгеновского кванта.

Ниже приводится доказательство возможности определения координаты заряда на сферической поверхности.

Простейший вариант этого способа основан на применении резистивной нити длиной L пропорционального счетчика. Если сопротивление нити R существенно превышает входное сопротивление усилителей, подключенных к обоим концам нити, то при инжекции в точку нити с координатой x заряда q через оба конца нити протекают заряды q₁ и q₂, определяемые соотношениями
q₁ = q (1-x/L); q₂ = q (x/L) (1)
Учитывая, что q = q₁ + q₂, координата детектируемого события может быть найдена по измеренным значениям q₁ и q₂ с помощью соотношения
x/L = q₂/ (q₁ + q₂) = s(x) (2)
Поскольку резистивная нить представляет собой линию с распределенными параметрами - сопротивлением R = R/L и емкостью C = C/L, заряд вдоль нее распространяется не мгновенно и требуется некоторое время, чтобы заряды q₁ и q₂, определяемые (1), были собраны на концах нити. Динамика распространения сигнала напряжения u вдоль RC-линии описывается дифференциальным уравнением параболического типа /6/
d²u/dx² - RC (du/dt) = 0 (3)
Коллекторный элемент КЭ, выполненный в виде узкой резистивной полосы с проводящими краями принципиально не отличается от случая нити. Плоский квадратный резистивный коллектор можно рассматривать как двухмерное обобщение КЭ, выполненного в виде резистивной полосы. Если сопротивление сторон квадрата нулевое (с разрывом в углах), то отношение заряда, снимаемого с одной из сторон, к суммарному заряду, инжектируемому в точку с координатами x и y, выражается соотношением /6/
q₁/q = 4/n sh(2n-1)пх/sh(2n-1)п • sin(2n-1)пу/(2n-1) (4)
Пользуясь этим соотношением, можно вычислить функции
s (x, y) = q₁/(q₁ + q₂), и s (x, y) = q₃/(q₃ + q₄) (5)
Если эти функции известны, то по измеренным отношениям зарядов можно найти координаты точки возбуждения коллектора. Принципиальный недостаток этого способа кодирования позиционной информации по сравнению с рассмотренным выше одномерным случаем состоит в том, что каждое из отношений, взятое отдельно, еще не определяет одной из координат и для получения этих значений необходима математическая обработка, сводящаяся к решению системы уравнений:
Sx (X, Y) = const1;
Sy (X, Y) = const2
Аналогичное решение получено для прямоугольного коллектора с размещением проводящих контактов в его углах /5/.

Предлагаемое в заявке решение коллекторного элемента представляет из себя фактически сформированный по полусфере плоский прямоугольный коллектор с размещением контактов в его углах.

Предложенный полусферический детектор позволяет отказаться от пересчета плоской детектируемой картины и учета возникающих при этом искажений профиля интерференционной линии, уменьшить линейные размеры элемента пространственного разрешения, не учитывать расходимости дифракционных пучков, пользуясь табличными данными. Исключается из рассмотрения неоднородность ширины каналов, эффективность и точность измерения интегральной интенсивности /7/. Отсутствие образования лавинных разрядов на двух соседних анодных проволочках при конверсии фотона в полосе между соседними проволочками просто из-за отсутствия самих проволочек не накладывает принципиальных ограничений на величину разрешения предлагаемого полусферического пропорционального координатного детектора рентгеновского излучения.

Испытание проводилось на изготовленном макете детектора и показало увеличение пространственного разрешения и точности. Большой объем снимаемой информации в единицу времени более чем в 1000 раз снижает время экспозиции по сравнению с применяемыми детекторами.

Данное изобретение может найти применение в области рентгенографического анализа в качестве детектора дифрагированного рентгеновского излучения.

Источники информации
1. Измерительная система для рентгеноструктурных исследований на основе многоканальных дифрактометров АРГУС/Т. Д. Могульская, С.В. Кузев, М.Ю. Лубнин и др. - Кристаллография, 1982, вып. 27, N 4, с. 775.

2. Препринт ОИЯИ 18-81-426 /Ю.С. Анисимов и др., Дубна, 1981.

3. Farugi A.R. - J. of Phys. E:Sci. Instrum. 1975. N 8. pp. 633-635.

4. Автоматическая быстродействующая установка АРД-1 с высоким разрешением для регистрации рентгена. /Ю.С. Анисимов, Ю.В. Заневский, А.Б. Иванов и др. - Кристаллография, 1981, вып. 26, N 6, с. 1305-1311.

5. Раникон А. - Электронно-оптический преобразователь с резистивным анодом. Приборы для научных исследований., 1974, т. 45, N 9, с. 57-66.

6. Mathieson E.A. - Ibid. 1971, v. 92, N 3, p. 441-442.

7. Горн Л. С. , Хазанов Б.И. Позиционно-чувствительные детекторы. -М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 8.

Использование: при регистрации и оценке интерференционной картины дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке для повышения точности измерений и сокращения времени экспозиции. Сущность изобретения: детектор рентгеновского излучения состоит из двух подобных полусферических поверхностей, пространство между которыми заполнено рабочим газом, а в их общем центре может быть помещен объект контроля, при этом окном детектора является внутренняя поверхность, выполненная из бериллия и служащая катодом, а внешняя - служащая анодом и одновременно датчиком с резистивным покрытием обращенным к катоду, имеет не менее трех токосъемников, равномерно распределенных вдоль экваториальной части внешней полусферической поверхности, которая опирается на стеклянную подложку анода. Две полусферы электрически изолированы и имеют в основании защитную пластину с отверстием для входа рентгеновских лучей. 1 ил.

Детектор рентгеновского излучения, состоящий из входного окна и датчика с резистивным покрытием, отличающийся тем, что детектор выполнен в виде двух подобных полусферических поверхностей, пространство между которыми заполнено рабочим газом, а в их общем центре, расположенном на оси симметрии отверстия защитной кольцевой пластины, помещается объект контроля, при этом окном детектора является внутренняя поверхность, выполненная из бериллия и служащая катодом, а внешняя - служащая анодом и одновременно датчиком с резистивным покрытием, обращенным к катоду, имеет не менее трех токосъемников, равномерно распределенных вдоль экваториальной части внешней полусферической поверхности.