Газовый сцинтилляционный счетчик электронов Советский патент 1985 года по МПК G01T1/205 

4ib

СЛ

О 05

ГАЗОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОНОЁ, содержащий герметично закрытый корпус с окнами, заполненный сцинтиллирующей газовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газовой сйеси, отличающийся тем, что, с целью увеличения временного разрешения и упрощения конструкции, . давление газовой смеси составляет

лг Изобретение относится к области взаимодействия излучения с веществом и может быть использовано в ядерной и прикладной физике, при регистрации ядарного гамма-резонансного из лучения, в частности в случаях, когд при ядерных переходах наряду с гамма-квантами испускаются электроны внутренней конверсии. Известен детектор конверсионных ц Оже-электронов, содержащий корпус герметично закрытый крышкой, во вн ренней полости которого находится; газовая смесь, патрубок для ввода и вывоДа газа, катод и анод. Электроны в таких детекторах регистрируются по ионизационному эффекту в газе, заполняющем детектор, в котором создано электрическое поле ij Однако использование таких детекторов имеет ряд принципиальных ограничений, связанных с тем, что энергетическое разрешение их ограничено величиной знергии ионообразования газа, которая для исполь-зуемого в этом способе гелия составляет Р42 эВ, а временное разрешение ограничено временем собирания электронно-ионной .лавины, которое составляет несколько десятков микросекунд ( мкс) . Наиболее близким техническим решением является газовый сцинтилляционный счетчик электронов, содержащий герметично закрытый корпус с окнами, заполненный сцинтиллирующей га зовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газовой снеси rzl . В этом счетчике электрическое поле создается из условия, чтобы отношение его напряженности Е- к давлению наполняющего газа р было меньше энер гии ионообразования W наполняющего газа, но больше энергии возбуждения 1р газовых молекул. Концентрация примесной компоненты N2 составляет 0,1-1 мас.%. Электроны исследуемого образца, ускоренные электрическим полем, взаи модействуют в основном с атомами гелия, вызывая либо ионизацию их, либо возбуждение. Возбужденные атомы наряду с первичными электронами пере дают молекулам азота, вызывая их ионизацию..Образующиеся при этом электроны, ускоренные электрическим полем,вновь вступают во взаимодействие с молекулами и атомами газа. При больших потоках первичного излучения Б регистрирующем объеме детектора образуется пространственный электрический заряд, уменьшающий амплитуду сигнала с детектора и, следовательно, ухудшающий энергетическое разрешение. Наличие электрического поля в детекторе накладывает ограничения на его конструкцию и геометрию, обусловливая дополнительные требования к отсутствию неровностей на поверхности исследуемых образцов. Однако принципиальным недостатком этого детектора является ограниченное временное разрешение, определяющееся временем собирания электронноионной лавины, которое составляет несколько десятков микросекунд (50 мкс). Цель изобретения - увеличение временного, разрешения и упрощение конструкции. . Для этого в газовом сцинтилляционном счетчике электронов, содержащем герметично закрытый корпус с окнами, заполненный сцинтиллирующей газовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газовой смеси, давление газовой смеси составляет (0,20-0,25) х 10 Па. а концентрация азота - 10 - 10 мас.%. В предлагаемом счетчике уменьшение удаления смеси от 140 Па до (О,20-0,25)10 Па приводит к увелиг чению яркости спектральных линий гелия и возможности устранения электрического поля. Устранение электрического поля избавляет от образования электронно-ионных лавин и сокращает длительность светового импульса от сг50 мкс до «190 не в чистом Не, а добавка 0,001-0,0001 мас.% азота сокращает длительность его со 190 не до 90 НС и увеличивает эффективность регистрации за счет увеличения яркости азотных линий в спектре излучения газовой смеси. При добавлении к гелию небольших количеств азота в спектре излучения смеси помимо линий, соответствуюисих оптическим переходам гелия 3 S, , S, появляются первая отрицательная система полос молекулярного иона азота N, интенсивность которой очень высока, и втора положительная система полос молекулярного азота, интенсивность которо несколько ниже. Первая отрицательнал система полос азота N появляет ся в результате реакций N -г N(5.) +: Не +Не и ) + Не + е и последующего снятия возбужденияN(2:;)- ) + . Она состоит из трех линий, и энерге тическая щель между состояниями и 5:t«3,5 зВ. Вторая положительная система пол азота появляется в результате реакций . y.&(-Ll) + ) + 2Не. Энергия, необходимая для .возбуждения азота на уровень (0,0) второй положительной системы , составляет 10,98 зВ. Это значительно меньше, че необходимо для получения перв.ого воз .бужденного состояния гелия, поэтому несмотря на малое количество азота, интенсивность второй положительной системы полос сравнима с суммарной интенсивностью оптических переходов НЕ.Необходимым условием для детектирования злектронов с. энергией 110 кэВ является концентрация азота в смеси - 0,001-0,0001% и давления смеси (О,2-0,25)10 Па, При этом длительность основной компоненты све тового импульса составляет 90 НС. При увеличении концентрации азота снижается интенсивность гелиевых лиНИИ в спектре, а при концентрации азота больше О,15% они практически не различимы, что объясняется снижением вероятности оптических,, перекодов гелия за счет взаимодействия его с молекулами азота. При увеличении концентрации азота выше Oj001% возрастает вероятность столкновений молекулярного иона N2 с молекулами азота в основном состоя НИИ, вследствие чего резко снижается интенсивность первой отрицательной системы полос N. Интенсивность второй положительной системы полос онижается более плавно. Ее уменьшение вызвано тем, что снижается скорость реакций из-за уменьшения количества молекул Beg, находящихся состоянии. Таким образом, при концентрации азота вьше 0,05-0,1% интенсивность вспьш1ки становится более чем в 20 раз ниже, чем при концентрации 0,001%, и она становится практически неразличимой. При уменьшении концентрации азота ниже 0,0б01%,- интенсивность первой отрицательной системы полос уменьшается более плавно, но резко падает вклад от второй положительной системы полос, так как уменьшается вероятность захвата электронов молекулами азота. При уменьшении концентрации азота до 0,00001%, суммарная интенсивность импульса снижается более чем в 3 раза. Зависимость спектральных линий от давления вызвана.тем, что помимо взаимодействия с молекулами азота с образованием молекулярных ионов N атомы и молекулы гелия могут снимать возбуждение в реакциях типа НеfНе н- е и Не + -Не + Не Кроме того, в газе весьма существенными будут процессы рекомбинации Nj(2:) + + N и Не 4-е- Не + Не. Поскольку время жизни излучающего состояния м.ало ( с), то при увеличении давления смеси возбужденный атом испь1тывает большее число столкновений с атомами НЕ и снижается как вероятность оптических переходов, а следовательно, и интенсивность гелиевых линий, так и вероятность передачи возбуждения молекул N2 путем зарядового обмена. При уменьшении давления ниже 0,2 атм падает световыход смеси, поскольку уменьшается общее количество излучающих атомов и молекул. При уменьшении давления смеси ниже 0,2-10 Па резко увеличивается длительность импульса, что связано с тем, что при уменьшении общего количества атомов вероятность переходов между уровнями, имею1чими одно и то же квантовое чиcлo становится больше прямых или ступенчатых переходов (вертикальных), и скатывание энергии возбуждения по уровням 2Р - 2Р - 2 -S - 2S резко удлиняет импульс, так как время жизни каждого из этих состояний меньше длительности вспьшдси, т.е. уменьшение давления ниже 0,240 Па ограничено длительностью импульса, а увеличение его вьше 0,25-10 Па интенсивностью линий.

При использовании газовой смеси указанного состава и .в указанном ypianaaoHe давлений приложение электрического поля не дает увеличения интенсивности спектра излучения га.зовой смеси, как в обычных газонаполненных детекторах, а частично (до 510%) даже уменьшает ее. Это можно объяснить тем,что молекулярный ион азота, притягиваясь к отрицательному электроду, перестает участвовать в процессе излучения и ослабляется самая интенсивная линия спектра.

Поскольку отпадает необходимость использования электрического поля, снимаются ограничения на геометрию

г 5

,нс .

10

t 7 .

ЮЗ -j;, НС

J, %

ir, НС

:г, %

10 - 1 . , МКС

CJ, %

Данные таблицы свидетельствуют, что необходимым условием для Детектирования электронов с минимальной длительностью импульса является давление смеси (0,20-0,25) МО® Па и концентрация азота 10 - 10 мас.%.

На чертеже схематически изображен предлагаемый счетчик.

Счетчик содержит корпус 1 с крьпдкой 2, герметичность закрьшания которой обе.спечивается вакуумными уплотнениями 3. Корпус и крышка имеют прозрачные дпя гамма-излучесчетчика и на качество поверхности исследуемого образца, помещаемого в .счетчик. Исчезает пространственный заряд, снижающий энергетическое разрешение и эффективность регистрации. .

В предлагаемом счетчике почти на три порядка увеличивается быстродействие (при том же энергетическом разрешении), кроме того, элект-роны с энергиями в диапазоне 0,5-100 кэВ регистрируются при помощи первичньк сцинтилляций, позволяющих существенно

увеличить временное разрешение,

В таблице приведены сравнительные данные.по интенсивности светового импульса (3) и длительности (-с) его для гелиевых смесей различных составов и различных давлений.

230 1

150

90

50 3.

230 90

50 30

10 100

9t) .

250 180

00 2 20 .1,5

1

30-50 180

ния окна 4, расположенные на одной оси. На внутреннюю сторону крышки крепится исследуеъ1ый образец 5. Боковые стенки счетчика снабжены окнЛми 6, прозрачными для видимого света и ближнего, ультрафиолетового. Корпус счетчика снабжен патрубками 7 для откачки и заполнения газом. Ядерное гамма-резонансное излучение попадает в счетчик от мессбауэровского источника 8.

Счетчик работает следующим образом..

Резонансные гамма-кванты проходят от источника 8 сквозь входное окно 4, попадают в исследуемый образец 5, содержащий резонансные ядра, и возбуждают их. При высвечивании энергии возбуждения появляются конверсионные Оже-электроны, которые, вылетев из образца, сталкиваются с молекулами газа, заполняющего счетчик, и переводят их в возбужденное состояние. Энергия возбуждения либо высвечивается молекулами гелия, либо в результате столкновений между Не и N, молекулами N или молекуляр ными ионами N-7 представляется в виде световых вспьшек, которые регистрируются фотоумножителями, просматривающими объем счетчика сквоэь окна 6. -Газ поступает в счетчик из резервуара через патрубок 7.

Предлагаемый счетчик благодаря высокому временному и энергетическому разрешению ч сохранению эффективности регистрации при наблюдении

мессбауэровских спектров в геометрии рассеяния проводит селектирование поверхностных слоев с точностью 50-100 А и регистрирует процессы с длительностью в несколько микросекунд,происходящие в этих слоях,

причем образец может иметь произвольную геометрическую форму.