ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/18 H01J47/06 

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений с помощью устройств для определения пространственного положения ионизирующего излучения, в частности к газоразрядным позиционно-чувствительным детекторам ионизирующего излучения, обеспечивающим регистрацию координаты места взаимодействия кванта излучения с веществом. Это изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности для определения структуры органических и неорганических материалов и их количественного состава, а также для измерения остаточных напряжений в конструкциях и материалах.

Известные газоразрядные позиционно-чувствительные детекторы ионизирующего излучения (1, 2, 3) содержат газонаполненный корпус с прозрачным для регистрируемого излучения входным окном и анодную нить с резистивным рабочим слоем, подключенную к электрическим выводам детектора. Между корпусом и анодной нитью приложено высокое напряжение. При ионизации газа в корпусе под действием ионизирующего излучения на конце анодной нити возникает электрический импульс, который поступает в подключенную к электрическим выводам детектора электронную систему обработки сигналов. Используемые с такими детекторами системы обработки сигналов относятся к резистивно-емкостному типу кодирования и декодирования позиционной информации.

Пространственное положение ионизирующего излучения можно определять путем измерения времени нарастания импульса напряжения на одном из концов анодной нити (1). Время нарастания импульса увеличивается с увеличением расстояния между концом анодной нити и той точкой, в которой собираются возникающие при ионизации газа заряды, поскольку с увеличением этого расстояния увеличивается время заряда эквивалентной емкости, которая складывается из распределенной емкости между анодной нитью и корпусом, емкостей держателей анодной нити, емкостей электрических выводов детектора и входных емкостей системы обработки сигналов.

В этом детекторе зависимость между расстоянием до точки анодной нити, в которой собираются заряды, и временем нарастания импульса (длительность переднего фронта) напряжения на конце анодной нити существенно отличается от линейной, то есть чем больше указанное расстояние, тем быстрее происходит изменение времени нарастания при изменении положения точки, в которой собираются заряды. Такая нелинейность характеристики детектора приводит к снижению точности определения положения точки, в которой собираются заряды, а следовательно, и точности регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения.

Снижение влияния нелинейных искажений, вносимых детектором в длительности передних фронтов импульсов, поступающих в систему обработки сигналов, может быть достигнуто при определении положения точки сбора зарядов путем измерения разности между временами нарастания импульсов, возникающих на противоположных концах анодной нити. В этом случае оба конца анодной нити подключены к электрическим выводам детектора (2).

Однако скорость изменения разности между временами нарастания импульсов на концах анодной нити не остается постоянной с изменением положения точки, в которой собираются заряды. Поэтому характеристика детектора и в этом случае остается в значительной степени нелинейной, что снижает точность регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения.

Наиболее близким аналогом предлагаемому позиционно-чувствительному детектору ионизирующего излучения является детектор, содержащий газонаполненный корпус с прозрачным для регистрируемого излучения входным окном, анодную нить с резистивным рабочим слоем, оба конца которой подключены к электрическим выводам детектора, и шунтирующий элемент, соединенный с электрическими выводами детектора параллельно рабочему слою анодной нити. При этом сопротивление шунтирующего элемента не меньше одной трети сопротивления резистивного рабочего слоя анодной нити (3).

В этом детекторе практически устранено влияние нелинейных искажений, вносимых детектором в длительности передних фронтов импульсов, на точность регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения.

Однако все вышеописанные детекторы (1, 2 и 3) обладают также и временной нестабильностью положения регистрируемого спектра, то есть с течением времени происходит смещение центра тяжести регистрируемого сигнала. Как правило, наблюдаемое смещение бывает двух типов: во-первых, когда линии регистрируемого спектра одновременно сдвигаются к центру шкалы (срединная точка анодной нити) или расходятся от него и, во-вторых, когда весь спектр смещается по шкале влево или вправо. За время полной экспозиции в первом случае на краях шкалы происходит уширение пиков, и точность определения их положения уменьшается. Во втором же случае, несмотря на сохранение относительной ширины пиков вдоль шкалы, изменяется их положение на шкале и, кроме того, их сдвиг приводит к потере скорости счета в каналах анализатора при измерении интегральной интенсивности регистрируемых пиков путем выделения на шкале определенного канала (например, при рентгенофазовом анализе материала на потоке).

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения за счет автоматической стабилизации параметров детектора и соответствующей ему системы обработки сигналов и тем самым устранения влияния дрейфа регистрируемого детектором спектра. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет улучшить воспроизводимость результатов измерений.

Поставленную задачу решает позиционно-чувствительный детектор ионизирующего излучения, содержащий газонаполненный корпус с прозрачным для регистрируемого излучения входным окном, анодную нить с резистивным рабочим слоем, оба конца которой подключены к электрическим выводам детектора, и по меньшей мере два шунтирующих элемента, подключенных параллельно рабочему слою анодной нити на участках, расположенных по разные стороны относительно ее срединной точки, для создания на этих участках нити условий полной проводимости, причем длина зашунтированных участков нити и их положение относительно концов рабочего слоя и друг друга определяются из условия применимости методов аппроксимации для получения достоверной информации о спектре регистрируемого излучения вдоль всего рабочего слоя анодной нити.

В отличие от наиболее близкого аналога в предлагаемом детекторе параллельно рабочему слою анодной нити на участках, расположенных по разные стороны относительно ее срединной точки, подключены по меньшей мере два шунтирующих элемента для создания на этих участках нити условий полной проводимости, причем длина зашунтированных участков нити и их положение относительно концов рабочего слоя и друг друга определяются из условия применимости методов аппроксимации для получения достоверной информации о спектре регистрируемого излучения вдоль всего рабочего слоя анодной нити.

Все шунтирующие элементы в предлагаемом детекторе могут быть идентичны друг другу.

Анодная нить в предлагаемом детекторе может быть снабжена двумя зашунтированными участками рабочего слоя, расположенными таким образом, что обращенные друг к другу края участков совпадают с соответствующими краями ортогональной проекции входного окна на анодную нить.

Каждый шунтирующий элемент в предлагаемом детекторе может быть выполнен в виде слоя проводящего материала, например металла с высокой проводимостью, нанесенного непосредственно на поверхность шунтируемого участка анодной нити.

Предлагаемая в изобретении совокупность отличительных и ограничительных признаков не описана в известной автору литературе.

Совокупность отличительных признаков и их взаимосвязь с ограничительными признаками в предлагаемом позиционно-чувствительном детекторе ионизирующего излучения позволяет эффективно осуществлять долговременную стабилизацию его параметров и устранять влияние дрейфа регистрируемого спектра, что повышает точность регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения, а также обеспечивает необходимую воспроизводимость результатов измерения. Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку использование в нем шунтирующих элементов с высокой проводимостью в новом качестве источника реперного сигнала не только обеспечивает решение поставленной задачи повышения точности регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения, но и позволяет улучшить воспроизводимость результатов измерений за счет эффективной стабилизации параметров детектора и устранения влияния дрейфа регистрируемого спектра. Следует также отметить, что именно использование одновременно по крайней мере двух источников в качестве реперного обеспечивает стабилизацию независимо от вида дрейфа регистрируемого спектра. Неочевидность предлагаемых решений также подтверждается отсутствием подобных решений в течение по крайней мере 20 лет, несмотря на актуальность решаемой задачи.

На фиг.1 схематически представлен один из вариантов выполнения предлагаемого позиционно-чувствительного детектора ионизирующего излучения.

На фиг.2 изображена эквивалентная схема, иллюстрирующая процесс формирования импульсов на концах анодной нити.

На фиг.3 приведены диаграммы сигналов, регистрируемых детектором с двумя шунтирующими элементами.

Детектор, изображенный на фиг.1, содержит газонаполненный корпус 1 с тонким бериллиевым окном 2, анодную нить 3 с двумя шунтирующими элементами 4, закрепленную в изоляторах 5 и подключенную к электрическим выводам 6 детектора. Анодная нить 3 содержит резистивный рабочий слой, например, на основе окислов сурьмы и олова. Шунтирующие рабочий слой элементы 4 выполнены в виде кольцевых полосок одинаковой ширины из материала с высокой проводимостью, например из серебра, нанесенных непосредственно на поверхности шунтируемых участков анодной нити 3. Обращенные друг к другу края полосок 4 совпадают с соответствующими краями ортогональной проекции входного окна 2 на анодную нить 3.

Детектор работает следующим образом. При попадании ионизирующего излучения внутрь корпуса 1 происходит ионизация газа в точках, расположенных на пути пучка ионизирующего излучения. Под действием разности потенциалов между анодной нитью 3 и корпусом 1 электрические заряды, образующиеся в результате ионизации газа, собираются в точке резистивного рабочего слоя на поверхности анодной нити 3, являющейся точкой пересечения анодной нити 3 с плоскостью, проходящей через пучок ионизирующего излучения перпендикулярно анодной нити 3. В результате накопления зарядов на нити 3 на ее концах формируются импульсы напряжения, которые поступают на входы системы (на фиг.1 не показана) обработки сигналов детектора через выводы 6. С помощью этой системы (на фиг.1 не показана) обработки сигналов по длительности фронтов импульсов на концах анодной нити 3 определяют координату места взаимодействия излучения с газовой средой детектора.

Время нарастания импульса на конце анодной нити 3 определяется постоянной времени цепи заряда эквивалентной емкости, складывающейся из распределенной емкости между корпусом 1 и участком резистивного рабочего слоя на поверхности анодной нити 3 между этим концом нити 3 и точкой, в которой собираются заряды, емкости изолятора 5 конца анодной нити 3, емкости электрического вывода 6 и входной емкости системы обработки сигналов детектора. С помощью системы обработки сигналов детектора измеряется также и разность между временем нарастания импульса на одном из концов анодной нити 3 и временем нарастания импульса на другом ее конце. Процесс формирования импульсов на концах анодной нити 3 иллюстрируется эквивалентной схемой, изображенной на фиг.2. Точки А и В соответствуют концам резистивного рабочего слоя анодной нити 3, точка С соответствует середине резистивного слоя анодной нити 3, а конденсаторы с_А и С_В соответствуют эквивалентным емкостям, подключенным к концам резистивного слоя анодной нити 3. Сопротивления R_ША и R_ШВ соответствуют сопротивлениям шунтирующих полосок 4, подключенных параллельно участкам резистивного рабочего слоя анодной нити 3. Если заряды, образующиеся при ионизации газа под действием ионизирующего излучения, собираются в точке на резистивном рабочем слое, то время t_A нарастания импульса в точке А и время t_B нарастания импульса в точке В пропорционально расстоянию от точки, в которой собираются заряды, до соответствующего конца резистивного рабочего слоя анодной нити 3. При этом разность Δt=t_A-t_B имеет максимально положительное значение, если заряды собираются в точке А, и максимально отрицательное значение, если заряды собираются в точке В. При образовании зарядов на шунтирующих полосках 4 время нарастания импульса резко уменьшается, поскольку сопротивление r_ША и R_ШВ проводящих (доли ома) полосок 4 много меньше сопротивления резистивного рабочего слоя анодной нити 3, составляющего от 2 до 5 кОм/мм.

Таким образом, в спектре сигналов детектора (см. фиг.3), регистрируемых с помощью системы обработки, появляются две узкие линии, соответствующие сигналам с проводящих полосок 4. Наличие этих линий в спектре исследуемого источника ионизирующего излучения не ухудшает разрешение детектора, так как их ширина и положение в спектре источника позволяют с высокой степенью достоверности апроксимировать тот участок спектра источника, который совпадает с линией. Для обеспечения автоматической стабилизации параметров детектора и устранения влияния дрейфа регистрируемого спектра сигналы с проводящих полосок 4 используют в системе обработки в качестве реперных сигналов традиционным способом. В начале работы при регистрации спектра (кривая 1 на фиг.3) запоминают положение (номер канала) n_a1 одного из реперных сигналов и значение разности (n_b1-n_a1) между реперными каналами. В процессе работы сравнивают текущие значения каналов N_Ат со значением n_a1 и значение разности (n_bт-n_aт) со значением (n_b1-n_a1). При обнаружении отклонения от начальных значений автоматически изменяют соответствующие параметры в системе обработки и возвращают регистрируемые сигналы спектра в исходную позицию.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано с помощью комплекса регистрации рентгеновского излучения РКД-1 с линейным позиционно-чувствительным детектором (4). Длина шунтируемого рабочего слоя анодной нити выбирается с учетом линейного разрешения детектора, пространственного разрешения аппарата, в котором используется детектор, и его области использования (характера регистрируемых спектров). При этом стабилизация параметров может быть осуществлена с помощью стандартного реперного канала (5), вход которого подключен к сигнальному выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен со входами регулировки диапазона и уровня амплитуд время-амплитудного преобразователя.

Таким образом, предлагаемый позиционно-чувствительный детектор ионизирующего излучения обеспечивает повышение точности регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения за счет автоматической стабилизации параметров детектора и соответствующей ему системы обработки сигналов и тем самым устранение влияния дрейфа регистрируемого детектором спектра. Кроме того, устранение влияния дрейфа регистрируемого детектором спектра позволяет также улучшить воспроизводимость результатов измерений.

Источники информации

1. Патент США №3483377, НКИ 250-83.3, 1969.

2. Патент США №4149109, H 01 J 17/34, H 01 J 39/29, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР №1080225, H 01 J 47/06, G 01 T 1/18, 1984.

4. “Комплекс регистрации рентгеновского излучения РКД-1”, Проспект фирмы "Техснабэкспорт". М.: Внешторгиздат, 1985.

5. Цитович А.П. Ядерная радиоэлектроника. М.: Наука, 1967.

Использование: для определения пространственного положения ионизирующего излучения. Сущность: детектор содержит газонаполненный корпус с прозрачным для регистрируемого излучения входным окном, анодную нить с резистивным рабочим слоем, оба конца которой подключены к электрическим выводам детектора, и по меньшей мере два шунтирующих элемента, подключенных параллельно рабочему слою анодной нити на участках, расположенных по разные стороны относительно ее срединной точки, для создания на этих участках нити условий полной проводимости, причем длина зашунтированных участков нити и их положение относительно концов рабочего слоя и друг друга определяются из условия применимости методов аппроксимации для получения достоверной информации о спектре регистрируемого излучения вдоль всего рабочего слоя анодной нити. Технический результат: повышение точности регистрации пространственного распределения ионизирующего излучения и улучшение воспроизводимости результатов измерений. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Позиционно-чувствительный детектор ионизирующего излучения, содержащий газонаполненный корпус с прозрачным для регистрируемого излучения входным окном, анодную нить с резистивным рабочим слоем, оба конца которой подключены к электрическим выводам детектора, и по меньшей мере два шунтирующих элемента, подключенных параллельно рабочему слою анодной нити на участках, расположенных по разные стороны от ее срединной точки, для создания на этих участках нити условий полной проводимости, причем длина зашунтированных участков нити и их положение относительно концов рабочего слоя и друг друга определяются из условия применимости методов аппроксимации для получения достоверной информации о спектре регистрируемого излучения вдоль всего рабочего слоя анодной нити.2. Детектор по п.1, в котором все шунтирующие элементы идентичны друг другу.3. Детектор по п.1, в котором анодная нить снабжена двумя зашунтированными участками рабочего слоя, расположенными таким образом, что обращенные друг к другу края участков совпадают с соответствующими краями ортогональной проекции входного окна на анодную нить.4. Детектор по п.1, в котором каждый шунтирующий элемент выполнен в виде слоя проводящего материала, например металла с высокой проводимостью, нанесенного непосредственно на поверхность шунтируемого участка анодной нити.