ДЕТЕКТОР ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01T1/36 G01J3/18 

Изобретение относится к устройствам для получения изображений при регистрации вакуумного ультрафиолетового (далее - ВУФ) или рентгеновского излучения и может быть использовано в области медицины (малодозовые флюрографы), а также для досмотра багажа и грузов (интроскопы) с разделением веществ по материалам (органика, неорганика, металлы, неметаллы) и в газоанализаторах, а также к устройствам для проведения неразрушающего контроля и структурного анализа.

Известен детектор рентгеновского излучения, содержащий расположенные последовательно и связанные друг с другом матрицу фоточувствительных элементов и волоконно-оптическую пластину, внешняя поверхность которой покрыта слоем люминофорного материала (см. RU 2726905 С1, МПК H01L 31/0203, опубл. 16.07.2020 [1]).

Раскрытый в [1] детектор принят в качестве ближайшего аналога заявленного детектора.

Основной недостаток детектора, известного из [1], состоит в том, что внешняя поверхность волоконно-оптической пластины (и, в свою очередь, чувствительная поверхность детектора) выполнена плоской, что неприемлемо при регистрации спектров на сложных фокальных поверхностях, например, на круге Роуланда в ВУФ спектрометрах скользящего падения, а также в кристаллических фокусирующих спектрометрах (схемы Иоганна, Кошуа). Таким образом, применение известного детектора ограничено.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании детектора ВУФ и рентгеновского излучения, обладающего широкими возможностями применения.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении чувствительности и пространственного разрешения детектора при одновременном обеспечении его малых габаритных размеров.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания детектора ВУФ и рентгеновского излучения, содержащего расположенные последовательно и связанные друг с другом матрицу фоточувствительных элементов и первую волоконно-оптическую пластину, а также слой люминофорного материала, который снабжен второй волоконно-оптической пластиной, внутренняя поверхность которой находится в контакте с внешней поверхностью упомянутой первой волоконно-оптической пластины, при этом внешняя поверхность второй волоконно-оптической пластины имеет фигурную форму и покрыта упомянутым слоем люминофорного материала, а матрица фоточувствительных элементов представляет собой ПЗС-матрицу.

Согласно частному варианту выполнения, внешняя поверхность упомянутой второй волоконно-оптической пластины имеет форму полусферы, полуцилиндра или пилообразную форму.

На фиг. 1 показано схематичное изображение заявленного детектора согласно частному варианту выполнения.

На фиг. 2 показан пример практического применения заявленного детектора согласно частному варианту выполнения.

Детектор, показанный на фиг.1, содержит расположенные последовательно и связанные друг с другом ПЗС-матрицу 1, первую волоконно-оптическую пластину 2 и вторую волоконно-оптическую пластину 3, внутренняя поверхность которой находится в контакте с внешней поверхностью первой волоконно-оптической пластины 2. Внешняя поверхность второй волоконно-оптической пластины 3 имеет фигурную форму и покрыта слоем люминофорного материала 4. В частном варианте, первая волоконно-оптическая пластина 2 и вторая волоконно-оптическая пластина 3 выполнены в форме дисков.

Волоконно-оптическая пластина служит для защиты матрицы фоточувствительных элементов (в частности, ПЗС-матрицы 1) при работе детектора в условиях сильного загрязнения или интенсивного излучения.

Однако, когда фокальная поверхность оптического прибора (в частности, спектрометра) имеет сложную форму (например, круг Роуланда, показанный на фиг. 2, представляющий собой полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, которая играет одновременно роль диспергирующего и фокусирующего элемента), одной волоконно-оптической пластины 2 становится недостаточно. Вследствие этого, предложено дополнить конструкцию детектора второй волоконно-оптической пластиной 3.

Внешняя поверхность второй волоконно-оптической пластины 3, покрытая слоем люминофорного материала 4, может иметь самую различную форму, например, полусферы или полуцилиндра, в том числе, с малым радиусом кривизны (вплоть до ~20 мм). Это позволяет совместить фокальную поверхность оптического прибора и чувствительную поверхность детектора, что, в свою очередь, обеспечивает его высокое пространственное разрешение и высокую чувствительность.

Применение волоконно-оптических пластин фигурной формы особенно эффективно при регистрации спектров протяженных источников, располагаемых на круге Роуланда в схеме Иоганна. Существуют и другие схемы спектрометров, например, основанные на работе дифракционных решеток на пропускание в сходящемся пучке, когда фокальная поверхность представляет собой окружность с малым радиусом. В этом случае применение детекторов с плоской чувствительной поверхностью становится невозможным, а использование заявленного детектора представляется наиболее эффективным.

Еще одним преимуществом использования волоконно-оптических пластин фигурной формы является возможность разработки оптических приборов. Например, волоконно-оптическая пластина с радиусом кривизны ~ 20 мм в спектрометре Иоганна позволяет уменьшить его габаритные размеры вплоть до 40 мм (диаметр круга Роуланда).

Выбор в качестве матрицы фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы обусловлен, в первую очередь, тем, что детекторы с ПЗС-матрицами имеют малые габаритные размеры и могут располагаться внутри вакуумной камеры. Кроме этого, использование ПЗС-матрицы также позволяет повысить пространственное разрешение и чувствительность детектора.

ПЗС-матрица представляет собой специализированную большую интегральную микросхему, преобразующую полученную информацию в аналоговую форму по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) (в английской интерпретации - CCD (charge-coupled device). Конструктивно ПЗС-матрица похожа на пчелиные соты, где каждая ячейка (пиксель) является полупроводниковым конденсатором структуры металл-оксид-полупроводник. В качестве полупроводника используется в основном кристаллический кремний, а оксиды кремния служат изолятором (см., например, Г.И. Зебрев. «Физические основы кремниевой наноэлектроники: Учебное пособие», Москва, МИФИ, 2008, глава 3 «Структуры металл-окисел-полупроводник», стр. 63-98 [2]).

В качестве ПЗС-матрицы в заявленном детекторе может быть использована любая подходящая коммерчески доступная ПЗС-матрица. Предпочтительным является использование ПЗС-матрицы Toshiba TCD 1304, отличающейся высокой чувствительностью, большой длиной активной части (29 мм), большим числом элементов (3600 пикселей), большой высотой пикселей (200 мкм), что позволяет увеличить сигнал при регистрации излучения от источников излучения, имеющих малые характерные размеры (~200 мкм), малыми габаритными размерами (42х10х3 мм³).

В качестве люминофорного материала может быть использован любой подходящий люминофорный материал, в частности коммерчески доступный.

Предпочтительным является использование порошка Р-43 (Gd₂O₂S:Tb) со средним размером гранул 3 мкм. Этот материал имеет высокий квантовый выход в ВУФ области спектра и максимум спектрального выхода на длине волны 540 нм, хорошо согласованный с длиной волны 550 нм максимума чувствительности ПЗС-матрицы. Для регистрации ВУФ излучения с максимальным пространственным разрешением толщина слоя люминофорного материала должна составлять ~10 мкм (~три слоя гранул). В результате можно ожидать пространственного разрешения 70-80 пар лин/мм (~13 мкм).

Заявленный детектор используется традиционным в данной области техники образом.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и структурного анализа. Детектор вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучения содержит расположенные последовательно и связанные друг с другом матрицу фоточувствительных элементов и первую волоконно-оптическую пластину, а также слой люминофорного материала, при этом он снабжен второй волоконно-оптической пластиной, внутренняя поверхность которой находится в контакте с внешней поверхностью упомянутой первой волоконно-оптической пластины, при этом внешняя поверхность второй волоконно-оптической пластины имеет фигурную форму и покрыта упомянутым слоем люминофорного материала, а матрица фоточувствительных элементов представляет собой ПЗС-матрицу. Технический результат – повышение чувствительности и пространственного разрешения детектора при одновременном обеспечении его малых габаритных размеров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Детектор вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, содержащий расположенные последовательно и связанные друг с другом матрицу фоточувствительных элементов и первую волоконно-оптическую пластину, а также слой люминофорного материала, отличающийся тем, что он снабжен второй волоконно-оптической пластиной, внутренняя поверхность которой находится в контакте с внешней поверхностью упомянутой первой волоконно-оптической пластины, при этом внешняя поверхность второй волоконно-оптической пластины имеет фигурную форму и покрыта упомянутым слоем люминофорного материала, а матрица фоточувствительных элементов представляет собой ПЗС-матрицу.

2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поверхность упомянутой второй волоконно-оптической пластины имеет форму полусферы, полуцилиндра или пилообразную форму.