Наноструктурный рентгеновский детектор Российский патент 2025 года по МПК G01T1/29 B82B1/00 

Предлагаемый наноструктурный рентгеновский детектор относится к рентгенотехнике и может применяться для детектирования пространственного распределения потоков рентгеновского или ионизирующего излучения в компьютерных системах регистрации и визуализации изображений в следующих областях: медицинская рентгенография, промышленная дефектоскопия, рентгеноструктурный анализ, ускорительные эксперименты, поисково-досмотровый и радиационный контроль, обнаружение и локализация запрещенных вложений, радиоактивных материалов и источников радиоактивного излучения.

Известны микроструктурные детекторы, применяемые в экспериментах на ускорителях для регистрации треков заряженных частиц и в рентгенографических установках, обеспечивающих визуализацию рентгеновских изображений. Например, микрополосковые газовые камеры [Oed A. Position-Sensitive Detector with Microstrip Anode for Electron Multiplication with Gases // Nucl. Instrum. Methods. 1988. Vol. A263], газовые электронные усилители [F. Sauli, The Gas Electron Multiplier (GEM): Operating Principles and Applications, Nucl. Instr. and Meth, A805, –2016], микроточечные газовые детекторы [Biagi, S. F., Bordas, J., Duxbury, D., & Gabathuler, E. (1997). Further experimental results of gas microdot detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 392(1-3), 131–134. doi:10.1016/s0168-9002(97)00231-3], [Бондаренко В.А., Корнев Е.А., Петрушанский М.Г. Лелюхин А.С. Беспроволочный микроточечный рентгеновский детектор. Патент на изобретение №2210139 от 10.08.2003. Россия]. Данные микроструктурные детекторы относятся к дискретным детекторам изображений ионизационного типа и по конструктивному исполнению отличаются конфигурацией анодно-катодных электродов и системой считывания информации. Конфигурация анодно-катодных электродов, имеющих линейные размеры от десятков до сотен микрометров, может быть полосковой, сетчатой или точечной. Микроструктурные детекторы содержат герметичный корпус заполненный газом, оборудованный входным окном. В корпусе располагаются дрейфовые и анодно-катодные электроды, формирующие, за счет подачи на электроды рабочего напряжения, слой конверсии и зону газового усиления. При взаимодействии рентгеновского излучения с наполняющим газом в зоне конверсии высвобождаются электроны, ионизирующие соседние атомы газа, образуя первичные электронно-ионные облака. Электроны первичного электронно-ионного облака дрейфуют вдоль силовых линий электрического поля и попадают в область высокого напряжения в окрестности одного или группы анодных электродов, где в результате ударной ионизация газа происходит лавинообразный рост носителей зарядов, и формируются вторичные электронно-ионные облака. Число вторичных электронов вблизи анодов может превышать число первичных электронов в 103 – 106 раз.

Обладая существенно большей в сравнении с ионами, подвижностью, электроны достигают анодов и понижают их потенциал, формирую отрицательный зарядовый сигнал. При этом на катодах и соседних анодах индуцируется положительный заряд, и их потенциал повышается, формируя положительный зарядовый сигнал. Ионы вторичного облака продолжают индуцировать электрические заряды на анодах и катодах до тех пор, пока не достигнут катодов. Электроны и ионы вторичного облака растягиваются неоднородным электрическим полем и в результате дрейфа формируют электронную и ионную составляющие тока. По уровню токовых сигналов определяют энергию регистрируемых квантов или заряженных частиц, а по номерам анодных и катодных электродов находят координаты их взаимодействия в плоскости детектора. Аналоговые и цифровые устройства системы считывания данных производят обработку информации одного или множества событий за время экспозиции и формируют в памяти компьютера кадр теневого изображения поля излучения или трека заряженной частицы.

Однако конструкция анодно-катодных электродов микроструктурных детекторов не позволяет уменьшать их размеры до нанометрового уровня, что ограничивает возможности увеличения коэффициента газового усиления и повышения координатного разрешения этих детекторов.

Наиболее близким по технической сущности является микропиксельный детектор, описанный в работе [Nagayoshi T. et al. Simulation study of electron drift and gas multiplication in Micro Pixel Chamber //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2005. – Т. 546. – №. 3. – С. 457-465. https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.02.042].

В данном детекторе электроды изготовлены на диэлектрической кварцевой подложке. На фронтальной стороне подложки размещены металлические катодные полоски с цилиндрическими перфорациями. В центре каждой перфорации полосок находятся сквозные точечные столбики анодов, соединенные между собой токопроводящими анодными полосками на обратной стороне подложки. Анодные полоски ортогональны катодным полоскам. Выводы полосок предназначены для съема соответственно анодных и катодных сигналов для определения двух координат. Микропиксельные детекторы обладают высокой загрузочной способностью, высоким пространственным разрешением и значениями коэффициента газового усиления до 5·104 при высокой радиационной стойкости.

Вместе с тем микропиксельные детекторы, ввиду расположения в одной плоскости анодных и катодных электродов на поверхности подложки, присущи следующие недостатки:

- возможность электрических разрядов, обуславливающих разрушение анодно-катодных электродов;

- временная нестабильность коэффициента газового усиления при длительном облучении из-за эффектов, связанных с поляризацией подложки и накоплением заряда на ней;

- радиационное старение, связанное с рождением в лавинах полимерных соединений газовых примесей, которые, осаждаясь на электродах и изоляторе между ними, приводят к увеличению тока утечки и пробоям.

Кроме того, у микрописельных детекторов ограничена плотность расположения анодно-катодных электродов, что требует для получения высоких значений коэффициента газового усиления сравнительно больших рабочих напряжений.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание наноструктурного рентгеновского детектора на основе наноструктурных катодных и конусообразных анодных электродов с высокой плотностью их расположения на подложке для обеспечения высоких значений быстродействия и пространственного разрешения, снижения рабочего напряжения и устранения разрядов в области газового усиления, уменьшения скорости старения, увеличения ресурса и срока службы.

Задача, на решение которой направлена заявленное изобретение, достигается тем, что в известном детекторе применяются наноструктурные анодно-катодные электроды, расположенные в газовой среде, представляющие собой диэлектрическую пленку из анодного диоксида алюминия с высоким удельным сопротивлением, в которой выполнены высокоупорядоченные плотноупакованные параллельные друг другу сквозные нанопоры, заполненные материалом с высокой проводимостью, образующие матрицу конусообразных анодных электродов [см. Сокол В.А. Электрохимическая технология микро- и наноэлектронных устройств // Доклады бгуир. 2004, № 4. С. 18-26.]. На фронтальной к входному окну поверхности диэлектрической пленки нанесены токопроводящие полоски катодных электродов, окружающие наноаноды. С обратной стороны подложки нанесены ортогонально токопроводящим полоскам катодных электродов токопроводящие полоски анодных электродов, электрически соединяющие ряд наноанодов. Причем наноаноды расположены выше поверхности катодных электродов и пространственно разделены от катодов усеченным конусом диэлектрического слоя пористого диоксида алюминия. Анодно-катодные токопроводящие полоски обеспечивают съем токовых сигналов для определения координат взаимодействия заряженных частиц или рентгеновских квантов.

На фиг. 1 изображен схематически общий вид наноструктурного рентгеновского детектора. На фиг. 2 изображен фрагмент диэлектрической пленки с анодно-катодными электродами со стороны входного окна детектора, а на фиг. 3 – сечение диэлектрической пленки с анодно-катодными электродами.

Наноструктурный рентгеновский детектор содержит крышку детектора 1, коллиматор 2, входное окно 3, датчик давления 4, основание корпуса 5, герморазъемы 6, платы электроники 7, диэлектрическую пленку 8. Входное окно 3 изолировано от крышки 1 и является также дрейфовым электродом. Наноструктурные анодные электроды 9, выполнены в диэлектрической пленке 8 из анодного диоксида алюминия, содержащей высокоупорядоченные плотноупакованные параллельные друг другу сквозные нанопоры, заполненные материалом с высокой проводимостью, образующие матрицу конусообразных наноанодов 10.

На фронтальной относительно входного окна стороне диэлектрической пленки нанесены токопроводящие полоски катодных электродов 11, окружающие наноаноды. С обратной стороны пленки нанесены ортогонально токопроводящим полоскам катодных электродов токопроводящие полоски анодных электродов 12, электрически соединяющие ряды наноанодов. Причем вершины наноанодов расположены выше поверхности нанокатодов для эффективного сбора электронов и пространственно разделены диэлектрическим усеченным конусом слоя пористого диоксида алюминия, что повышает устойчивость к пробоям. Внутренний объем детектора заполнен газом. К токопроводящим полоскам катодных электродов 11 прикладывается отрицательный потенциал относительно токопроводящих полосок анодных электродов 12, а к дрейфовому электроду 3 – более высокий отрицательный потенциал относительно катодных электродов.

Устройство работает следующим образом. Рентгеновское излучение, проходя через входное окно 3, попадает в дрейфовый промежуток и взаимодействует с атомами газа. Образовавшиеся в результате взаимодействия облако первичных электронов под действием равномерного электрического поля, создаваемого дрейфовым электродом 3, движутся к областям газового усиления, сформированных электрическими полями высокой напряженности между наноструктурными анодными 9 и катодными 11 электродами, где образуются электронные лавины на ряде наноанодов. На катодных электродах индуцируется положительный заряд. Образование избыточных зарядов вызывает протекание токов в анодных и в катодных токопроводящих полосках, воспринимаемых токовыми усилителями платы электроники 7. По номерам анодных и катодных токопроводящих полосок определяют координаты взаимодействия квантов в плоскости детектора. Величина заряда токовых импульсов пропорциональна потерям энергии рентгеновского излучения.

Использование наноструктурных анодно-катодных электродов с пространственно-распределенной конфигурацией и высокой плотностью расположения элементов на основе диэлектрической пленки анодного диоксида алюминия с высоким удельным сопротивлением, в объеме которой выполнены высокоупорядоченные плотноупакованные параллельные друг другу сквозные нанопоры, заполненные материалом с высокой проводимостью, вместо плоской электродной системы микроструктурного точечного детектора на кварцевой подложке, выгодно отличает предлагаемый детектор от указанного прототипа, так как увеличивает быстродействие и координатное разрешение детектора, а также уменьшает вероятность пробоев, в силу снижения рабочего напряжения в области газового усиления и пространственного расположения в разных уровнях анодно-катодных плоскостей.

Изобретение относится к области измерения ионизирующего излучения. Наноструктурный рентгеновский детектор содержит анодно-катодные электроды, представляющие собой диэлектрическую пленку анодного диоксида алюминия с высоким удельным сопротивлением, в объеме которой выполнены высокоупорядоченные плотноупакованные параллельные друг другу сквозные нанопоры, заполненные материалом с высокой проводимостью, образующие матрицу конусообразных наноанодов, соединенных токопроводящими полосками анодных электродов, ортогональных токопроводящим полоскам катодных электродов, окружающих наноаноды в фронтальной к входному окну поверхности диэлектрической пленки, причем наноаноды расположены выше поверхности катодных электродов и изолированы диэлектрическим усеченным конусом слоя пористого диоксида алюминия. Технический результат - повышение быстродействия и пространственного разрешения, снижение рабочего напряжения и устранение разрядов в области газового усиления. 3 ил.

Наноструктурный рентгеновский детектор, содержащий корпус со встроенными коллиматором, входным окном, герморазъемами, датчиком давления, платы электроники и анодно-катодные электроды, расположенные параллельно плоскости входного окна, отличающийся тем, что анодно-катодные электроды представляют собой диэлектрическую пленку анодного диоксида алюминия с высоким удельным сопротивлением, в объеме которой выполнены высокоупорядоченные плотноупакованные параллельные друг другу сквозные нанопоры, заполненные материалом с высокой проводимостью, образующие матрицу конусообразных наноанодов, соединенных токопроводящими полосками анодных электродов, ортогональных токопроводящим полоскам катодных электродов, окружающих наноаноды в фронтальной к входному окну поверхности диэлектрической пленки, причем наноаноды расположены выше поверхности катодных электродов и изолированы диэлектрическим усеченным конусом слоя пористого диоксида алюминия.