Детектор ионизирующего излучения Советский патент 1983 года по МПК H01J47/00 G01T7/00 

(54) ДЕТЕКТОР ИОНИЗИР ТОЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам регистрации ионизирующего излучения, а именно к конструкции газонаполненных приборов для регистрации мягкого рентгеновского излучения, ft-излучения и -частиц, и может быть использовано для выполнения исследований в ядерной физике, физике элементарных частиц и в технике для применения радиоактивных источников и рентгеновского излучения, в том числе, в аппаратах рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов для эффективной регистрации мягкого рентгеновского излучения.

Известен газовый проточный пропорциональный счетчик, содержащий газонаполненный корпус с входным окном, прозрачным для ионизирующего излучения. Корпус снабжен входным и выходным патрубками для пропускания газа. Входное окно счетчика выполнено из ТОНКОЙ органической пленки. К входному- патрубку через редукторпреобразователь расхода газа присоединен баллон, наполненный до высокого давления рабочим газом счетчика (термин рабочий газ используется: для газовой смеси, обеспечивающей оптимальные условия регистрации

ионизирующего излучения в детекторе) . К выходному -патрубку присоединен масляный затвор, чераз который рабочий газ выпускается в атмосферу. Для повышения эффективности регистрации мягкого рентгеновского излучения с энергией меньше 1,5-2 кэВ окно счетчика вьшолн&но из полипропиленовой пленки толщиной 2-6 мкм,

10 при этом становится существенной газопроницаемость окна счетчика 1J«

Однако вследствие большой разности парциальных давлений компонентов воздуха и рабочего газа по обе

15 стороны входного окна возникают встречные потоки указанных газов через пленку, что приводит к недопустимому изменению состава газа внутри счетчика и выходу его из строя.

20 Для стабилизации состава рабочего газа в счетчике непрерывно в процессе измерения создают постоянный поток газа из баллона с высоким давлением рабочего газа в атмосферу 2 через редуктор-преобразователь расхода газа, входной патрубок, -корпус счетчика, выходной патрубок и масляный затвор 2 .

Недостатками известных счетчиков

30 являются большой расход рабочего газа, необходимость использования громоздких баллонов со сжатым газом для обеспечения длительной работы и сложная система регулировки и стабилизации плотности газа/ необхо димые для его вьтуска в атмосферу. Это снижает удобство счетчиков в эксплуатации, повышает их стоимость и увеличивает габариты и вес аппара туры, в которой они используются. Известен также сцинтилляционный пропорциональный счетчик, содержащий газонаполненный корпус с входны окном из тонкой органической пленки и патрубок для впуска и выпуска газа. К патрубку через вакуумный вентиль присоединена вакуумная система для откачки и наполнения корпуса ра бочим газом. Внутри корпуса счетчик размещен калиевый геттер, поглощающий газы-примеси, проникающие в кор пус через газопроницаемое окно f3. Недостатком такого счетчика являётся постоянная утечка рабочего газа через входное окно; что привод к изменению парциального давления рабочего газа в счетчике. Поэтому, периодически необходимо перенаполнять счетчик. Кроме того,счетчик ха рактеризуется нестабильностью в работе, поскольку его параметры зависят от 1знешних условий (давления и температуры). Наиболее близким к предлагаемому является пропорциональный детектор для н эмерения ионизирующего излучения, содержащий заполненный рабочим газом корпус с входным окНом из тонкой-органической пленки, соединенный с резервуаром, заполненным тем же газом. Основной составляющей рабочего газа является ксенон или криптон. Количество газа в резервуа ре значительно больше его количества в корпусе. Детектор снабжен сред ством для обеспечения циркуляции рабочего газа через корпус детектор и резервуар 4,. Недостатком этого детектора является изменение парциального давле ния рабочего газа как при изменении внешних условий (температуры и атмосферного давления), так и вследствие утечки рабочего газа через входное окно детектора и проникновения в рабочий объем детектора ком понентов окружающего воздуха. Изменение температуры, давления и соста ва газа в корпусе приводят к дрейфу коэффициента газового усиления (до 1% на ), что, в свою очередь, приводит к значительному дрейфу выходного сигнала детектора. Изменение состава газа в детекторе приводит к необходимости периодической замены газа в системе детектор - резервуар что существенно увеличивает расход газа. Цель изобретения - сокращение расхода рабочего газа и стабилизация его состава и давления в детекторе. Поставленная цель достигается тем, что детектор ионизирующего излучения с газопроницаемым входным окном, содержащий заполненный рабочим газом корпус, соединенный с резервуаром, заполненным тем же газом, снабжен газопоглотителем примесей, между корпусом и резервуаром установлена мембрана, площадь поверхности, толщина и материал которой идентичны входному окну, резервуар выполнен в виде основного и промежуточного объемов, соединенных между собой через преобразователь расхода газа, причем величины давлений рабочего газа в корпусе Р , в промежуточном объеме Рпр и в основном объеме РОСП подчиняются соотношению РХ Hip 2 Р, Poctv а величину объемного-расхода газа Q в преобразователе определяют из соотношения q-KSo P/ -Qc , 1 где к - коэффициент проницаемости входного окна по рабочему газу; S - площадь поверхности входного h - толщина входного окна; ДР7О - разность парциальных давлений рабочего газа внутри и вне корпуса детектора со стороны входного окна; Q - объемная скорость сорбции рабочего газа, поглощаемого элементс1ми внутри корпуса детектора. На чертеже изображен газовый электроалюминесцентный детектор мягкого рентгеновского излучения. Детектор содержит вакуумно-плотный цилиндрический корпус 1, на одном торце которого расположено входное окно 2, прозрачное для мягкого рентгеновского излучения и выполненное из металлизированной полипропиленовой пленки толщиной 2-6 мкм. Внутри корпуса 1 укреплены электроды 3, а на его другом торце - выходное окно 4. Внутренний объем корпуса 1 заполнен рабочим газом - ксеноном. Корпус 1 детектора снабжен размещенным в патрубке 5 нераспыляемым газопоглотителем б и соединен с резервуаром, заполненным ксеноном. Резервуар состоит из двух обьемог: основного - баллон 7, давление газа в котором может составлять 10-40 атм, и промежуточного 8, давление газа в котором превышает парциальное давление ксенона в корпусе 1 детектора не более чем в два раза. Корпус, 1 отделен от промежуточного объема 8 мембраной 9, идентичной входному окну 2 по материалу, толщине и площади. Основной 7 и промежуточный 8 объемы резервуара соединены между собой через преобразователь расхода газа - вентиль 10. Поскольку в детехторе имеется газопроницаемое входное окно 2, ерез которое одновременно происходят диффузия примесных газов из атмосферы внутрь корпуса 1 и диффузия рабочего газа - ксенона - из детект ра в атмосферу, стабилизация состана и давления рабочего газа в корпусе. 1 достигается путем совместног использования газопоглотителя б, ме браны 9 и вентиля 10. Величина объемного расхода газа Q вентиля 10 определяется объемной скоростью проницаемости ксенона через входное окно 2 и объемной скоростью сорбции ксенона, поглощаемог стенками корпуса 1 и внутренними элементами детектора, в соответстви с выражением (1). Кроме того, объем ный расход газа Q вентиля 10 можно рассчитать из соотношения Q c 5cjVl/})APa (2) где об - коэффициент расхода газа; S - площадь отверстия диафрагм преобразователя расхода га за - вентиля 10; РП - плотность рабочего газа ксенона; ДРд - разность абсолютных давлений рабочего газа в баллон 7 и промежуточном объеме 8 Объем баллона 7 и давление рабочего газа в нем выбирают из расчета необходимого срока службы детектора Кроме того, абсолютное давление в баллоне 7 должно быть все время суще твенно больше, чем давление в корпусе 1 так, чтобы разность АРд менялась незначительно по мере умен шения давления, в баллоне 7. Выполнение последнего условия обеспечивает постоянство объемного расхода Q на период срока службы детектора. Другим решением условия постоянства Q является регулирование S Q.площади отверстия диафрагмы вентиля 10 - по мере уменьшения абсолютного давления рабочего газа в объеме бал лона 7. Величину давления в промежуточном объеме 8 определяют из условия равенства перепада давлений по обе стороны входного окна 2 и по обе стороны Мембраны 9 .-РЬИ--РПР-РК . (3) Ррр 2Рк-Рви, (4) где Р - парциальное давление рабо чего газа внутри корпуса 1 РП.. - парциальное давление рабочего газа вне корпуса 1 со стороны входного окна 2 парциальное давление рабочего газа в промежуточном объеме 8. Так как парциальное давление ксенона снаружи детектора пренебрежимо мало ПС сравнению с парциальные давлением ксенона внутри корпуса 1 (обычно используется ксенон чистый по ГОСТ 10219-77 с чистотой 99,99%), т.е.Р РБН f то выражение. (4) можно записать в видеР,,р - 2 Рц.. Это означает, что давление .рабочего газа в промежуточном объеме 8 должно быть в два раза больше, чем парциальное давление рабочего газа внутри корпуса 1., В общем случае давление рабочего газа в промежуточном объеме 8 должно превышать парциальное давление рабочего газа в корпусе 1 детектора не более чем в два раза и подчиняться соотношению (4). Таким образом, давления рабочего газа в корпусе Р, основном осн и промежуточном объемах резервуара подчиняются соотношению (5) Стабилизация парциального давления рабочего газа в корпусе 1 детектора достигается за счет идентичности входного окна 2 и мембраны 9, а также равенство перепадов давления, рабочего газа по обеим сторонам входного окна 2 и мембраны 9. При изменении температуры эксплуатации детектора сохраняется равенство потоков рабочего газа через входное окно 2 и. мембрану 9,чем обеспечивается авторегулировка поступления в детектор рабочего газа и стабилизация .его парциального давления в корпусе 1. Для поглощения примесных газов, проникающих в корпус 1 детектора через входное окно 2 из окружающей атмосферы и выделяемых в процессе работы стенками корпуса .1 и внутренними элементами детектора, выбирают пористый нераспьшяемый газопоглотитель 6 на основе титана типа СПН, размещенный в патрубке 5. Поглотители этого типа обладсшзт большой сорбционной способностью по отношению к основным примесным газам; кислороду, азоту, окиси углерода, водороду и некоторым другим, но практически не сорбируют инертные газы, к числу которых ОТНОСИТСЯ ксенон - рабочий газ детектора. Параметры газопоглотителя рассчитывают исходя из необходимого срока службы детектора и суммарного объема примесных газов, попадающих в корпус 1 детектора. Для случая газового электролюминесцентного детектора с полипропиленовым входным окном толщиной 4 мкм и диаметром 25 мм проводят оценку требуемого количества рабочего газа и параметров газопоглотителя, который необходимо ввести внутрь систем детектора. Годовой объемный расход ксенона вследствие его диффузии через входное окно 2 определяют из соотношени (1), и при нормальном давлейии он составляет всего 194 см. Для поглощения примесных газов выбирают газопоглотитель типа СПН состава № 3. По расчету через входное окно 2 поступают из атмосферы поток азота, равный 2,, и поток кислорода, рашный 2,24 . Эти газы являются основ ными компонентами примесных, газов, поступающих в детектор, так как количество других составляющих газо примесей, проникающих в детектор извне и выделяющихся внутри детектора, значительно меньше диффундирующих через входное окно 2 потоков азота и кислорода. Для сорбции по токов азота и кислорода, поступающи в детектор в течение одного года, требуется общая масса газопоглотите ля 121,6 г. Такая небольшая масса газопоглотителя не вызывает затруднений при разме1цении его в конкретн приборе, при этом требуется периоди ческий прогрев газопоглотителя до . Таким образом, применение изобре тения позволяет создать детектор с газопроницаемым входным окном, в ко тором поддерживаются постоянный сос тав и давление рабочего газа при ми нимальном его расходе. Изобретение может быть использов но в серийных проточных пропорциональных счетчиках рентгеновского из лучения и в газовых электролюминесцентных детекторах мягкого рентгено ского излучения для аппаратов рентгеновского анализа. Форг-: ла изобретения Детектор ионизирующего излучения с газопроницаемым входным окном, содержалщй заполненный рабочим газом корпус, соединенней с. резервуаром, згшолненным тем же газом, о тличающийс я тем, что, с целью сокращения расхода рабочего газа и стабилизации его состава/ детектор снабжен газопоглотителем примесей, между корпусом и резервуаром установлена мембрана, площадь поверхности, толщина и материал которой идентичны входному окну, резервуар выполнен в виде основного и промежуточного объемов, соединённых между собой через преобразователь расхода газа, причем величины давлений рабочего газа в корпусе Р , в промежуточном объеме ив основном объеме РОСИ подчиняются соотноР.. РС а величина объемного расхода газа в преобразователе определяется из соотношения Q-.SoiP) -Qc, где ,К - коэффициент проницаемости входного окна по рабочему газу; So площадь поверхности входного - разность парциальных давлений рабочего газа внутри и вне корпуда детектора со стороны входного окна; и - толщина входного окна; - объемная скорость сорбции рабочего газа, поглощаемого элементами внутри корпуса детектора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Гоганов Д.А., Лозинский Б.С., Сиухин А.Г. О работе проточного пропорционального счетчика мягкого рентгеновского излучения. - Аппаратура и методы рентгеновского анализа, вып. 2, Л., Машиностроение , 1967, с. 111-120. 2.Заявка Японии № 48-57050, кл. 111 JO, опублик. 1973. 3.Коуата К., Inoue Н., Matsuoka М. А buiEtin potassium getter for the scintiBBation proportional counter. - Nuc. Instr. and Math 1978, 148, p. 257-259. 4.Заявка Японии № 48-5750, кл. Ill J 132, опублик. 1975 (прототип) .