Детектор ионизирующего излучения Советский патент 1989 года по МПК G01T1/28 

Изобретение относится к области регмстрацни иониэиргующих излучений, а точнее - к области регистрации вы- сокоин теисивного излучения ядерных реакторов и ускорителей. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при изготовлении вакуумных вторично-эмиссионных детекторов.

Целью Изобретения является расширение диапазона линейности амплитудной характеристики и сохранение .стабильности показаний детектора.

Детектор ионизирующего излучения содержит эмиттер и коллектор, разделенные вакуумным промежутком, эмиттер выполнен из сплава, компоненты которого имеют одинаковые работы выхода медленных вторичных электронов и разные химические, активности., нaпример сталь 12Х18Н10Т, пep Joлoй 76МХ.Ц, 20 Можно использовать другие материалы, сталь Х14МЗТ и т.д., а. поверхность эмиттера сформирована протравливанием в химическом растворе и от жигом в вакууме шероховатостей, причем средотвечающие этим требованиям. В предложен н ом примере электроды выполнены из аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Один из электродов является эмиттером 2, а другой - коллектором 3 медленных вторичных электронов (в зависимости от знака разности потенциалов, созданной между ними внешним источником питания 4). Электроды соединены токоведущими проводниками, с соответствующими электровводами 5, вваренными в корпус детектора. Поверхности электродов выполнены шероховатыми со средней высотой шероховатостей, большей среднего расстояния между ними. Формирование поверхностей электродов осуществляли следующим образом.

няя высота шероховатостей больше среднего расстояния между ними.

Использованньсй в детекторе эмиттер позволяет расширить диапазон Jлинейности амплитудной характеристики детектора приблизительно в три раза за счет уменьшения выхода мед- ле.нных вторичных электронов с поверхности эмиттера и сохранения способности вольт-амперной характеристики детектора входить в нас ыщение при разности потенциалов меясду .эмиттером и коллектором в несколько десятков вольт, кроме того, предложенное техническое решение позволяет сохранить стабильность показаний детектора под облучением, характерную для детекторов с э иттepaми, выполненным из химически чистых металлов, не покрытых окисной пленкой. Уменьшение выхода медленньк электронов с шероховатой поверхности, в которой средняя высота шероховатостей больше. среднего расстояния между ними, объясняется тем, что медленные вторичные электроны, вышедшие из вещества внутрь впадин, при своем движении наружу в область действия электри7 ческого поля встречают намного больше препятствий, чем электроны, -вышедшие из приграничного слоя гладкой поверхности В результате этого часть медленных электроно в задерживается шероховатостями и не попадапpoмeжy22205А

ет в межплектродный ток.

На фиг. 1 изображена схема детектора ионизирующего излучения; на

5 фиг. 2 - ei o характеристика-насыщения при отрицательном потенциале на эмиттере.

Детектор ионизирующего излучения состоит из размещенной в вакуумиро10 нанном металлическом корпусе 1 системы электродов. Материалы электродов - сплавы, у которых за счет разной химической активности создаются шероховатые поверхности при трав15 лении. Кроме того, компоненты сплава должны обладать свойством, одинакового выхода медленных вторичных электронов. Это - нержавеющие стали

12Х18Н10Т, Х1ЧМТ, пермолой УбИХД.

Можно использовать другие материалы,

отвечающие этим требованиям. В предложен н ом примере электроды выполнены из аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Один из электродов является эмиттером 2, а другой - коллектором 3 медленных вторичных электронов (в зависимости от знака разности потенциалов, созданной между ними внешним источником питания 4). Электроды соединены токоведущими проводниками, с соответствующими электровводами 5, вваренными в корпус детектора. Поверхности электродов выполнены шероховатыми со средней высотой шероховатостей, большей среднего расстояния между ними. Формирование поверхностей электродов осуществляли следующим образом.

Электроды помещали в водный раствор NaDH и , в котором в течение 30-40 мин при температуре 60-70 С производили их очистку от загрязнений и масел, оставленных на них после механической обработки. Окончательное обезжиривание электродов производили в ультразвуковой ванне при частоте 20 кГц, в которую помещали электроды на мин. Химический раствор ванны аналогичен приведенному вьш1е.

После обезжиривания электроды промыли в проточной воде в течение 5-7 мин.

Промытые электроды поместили в химический раствор, содержащий 30 мл НС1, 100 мл NHOg и 400 мл в котором при температуре 100+5 с в течение 120 с проводили их контурное травление с целью снятия заутика насьпдения описанного детектора 6, полученная на изотопном источнике гамма-квантов Со при отрицателных потенциалах U на эмиттере. При 1и( 30 В наклон кривой характеристики составил 0,034%/В.

Предложенный детектор ионизирующего излучения по сравнению с прототипом позволил уменьшить выход медленных вторичных электронов из металлического эмиттера приблизительно в три раза (см. таблицу) и сохранить способность вольт-амперной характеристики входить в насыщение при разности потенциалов между эмиттером и коллектором 20-30 В.

Коэффициент эмиссии медленных вторичных электронов (ВЭ) из эмиттеров детекторов, изготовленных со- .гласно прототипу и согласно изобретению представлен в таблице.

На основании этого можно заклю-г чить, что вьшолнение детектора ионизирующего излучения описанным выше образом позволяет расширить диапазон линейности амплитудной характеристики примерно в три раза по отношению к детекторам с эмиттерами, выполненными из химических чистых металлов. Действительно, наличие предела линейности амплитудной характеристики вторично-эмиссионного детектора обусловлено экранированием внешнего

Материал эмиттера

Атомный номер

Нержааеящам сталь 12Х18Н10Т

электрического.поля, созданного внешним источником питания я меж- злектродном промежутке, объемным зарядом медленных вторичных электронов, эмиттируемых в этот промежуток. Например, в детекторах с межэлектгол родным зазором 0,2 мм при разности потенциалов между эмиттером и коллек- тором 400 В экранирование объемным зарядом проявляется при токе через вакуумный промежуток 0,25 А/см, который возникает в детекторе из Fe при мощности дозы 1,710 рад/с,

а в предлагаемом детекторе при мощности дозы гамма-излучения 5,3 г «10 2 рад/с.

Кроме того, при испытании предлагаемого детектора в жестких термои радиационных условиях изменений его чувствительности обнаружено не быпо. Ввиду того, что использованная в качестве материала эмиттера сталь содержит в своем составе элементы с приблизительно равными величинами работы выхода медленных вторичных электронов, не следует ожидать изменений чувствительности детектора, вызванных диффузией атомов в поверхностном слое эмиттера в процессе длительной эксплуатации детектора. Следовательно, предложенное техническое решение позволяет сохранить стабильность показаний детектора под облучением.

Коэффициент- эмиссии

медленных ВЭ 10 Кл/рад-см

Пр1имечание

Эмиттер изготовлен согласие прототипу

0,,05

Эмиттер изготовлен согласно иэовре- тению

31

сенцев, возникших при механической обработке.

После контурного травления электроды промывали в проточной воде в течение 2 ч. Окончательную промывку завершали последовательным спо- ласкиванием электродов в трех ваннах дистиллированной воды.

После этого.электроды высушивали в шкафу в течение 5-7 мин при температуре lOO-IZO C.

Подготовку поверхности электродов начинали с возобнойления операции по промывке электродов, которую проводили в течение с.

Затем производили промывку электродов последовательно в трех ваннах дистиллированной воды.

После этого электроды протравливали в химическом растворе, .содержащем 50 мл , 50 мл HNOa, 100 мл НС1, 100 мл НэРО и 200 мл HgO. Травление осуществляли в течение 7-10 с при 100+5°С.

Затем электроды промывали в проточ ной воде в течение 2 мин.

Далее, для снятия шлама и формирования шероховатой поверхности элект троды помещали в раствор, содержащий 650 мл HF и 410 мл HNOa. Температуру раствора устанавливали 18- 30 С, а травление производили в те-л чение 30-60 мин. Критерием окончания формирования поверхностного слоя с требуемой степенью шероховатости служило образование равномерной по всей площади электрода матовой поверхности. В процессе контакта хро- моникелевой стали с указанным выше раствором кислот с наибольшей скоростью растворяются частицы карбидов хрома и специальных стабилизирующих добавок. Неодинаковые химические активности компонентов этого сплава приводят к образованию на его поверхности микрошероховатостей, среднее расстояние между которыми меньше их средней высоты.

После образования шероховатой .поверхности электродов осуществляли их промывку.

После этого электроды высушивали.

Высушенные электроды затем помещали в вакуумную печь ,, в которой при температуре 900+50 С и остаточ- , ном давлении газов в печи 10 Ю Торр в течение 30 мин производили их отжиг с охлаждением в печи.

220544 .

В процессе отжига снимаются внутренние, напряжения и частично устраняют- ся дефекты кристаллических решеток, которые при эксплуатации детектора в

J жестких термо- и радиационных условиях могут привести к изменениям структуры поверхностного слоя эмиттера, а следовательно, выхода медленных вторичных электрбнов. Кроме

{О того, при отжиге стабилизированной стали происходит перевод углерода из карбидов хрома в карбид титана; освободившийся хром необходим для , создания определенного уровня корро15 зионной стойкости и предотвращения межкристаллитной коррозии.

Приготовление поверхности электродов завершили протравливанием в хими20 ческом растворе, которым устранили возможные загрязнения сформированной шероховатой поверхности и частич- но растворили карбиды титана, обла дающие малой химической стойкостью.

25 После этого электроды вновь промывали.

В завершение электроды высушивали. Вакуумирование детектора после сборки электродной системы в корпус.

3Q производили в вакуумной печи при 450 С. При такой температуре -происходит дегазация поверхностей элект- родов, корпуса и других узлов конструкции детектора. Отпайку оТкач- ного штенгеля выполняли по истече-

40

НИИ 6ч, при этом давление остаточных газов в детекторе не превосходило 10 Торр.

Описанный детектор ионизирующего излучения работает по принципу регистрации медленных вторичных.электродов , выходящих с поверхности эмиттера в межэлектродный промежуток под действием гамма-излучения. При со.здании внешним источником питания разности потенциалов между эмиттег : ром и коллектором в цепи детектора течет электрический ток, обусловленный этими электронами. Величина электрического тока пропорциоиальна мощности дозы, поглощенной в материале эмиттера, и площади эмитти- рующей поверхности. Коэффициент пропорциональности называется коэф- . фициентом эмиссии и характеризует эмиссионную способность эмиттера, / т.е. выход медленных вторичных электронов. На фиг. 2 показана характерис50

55

ё

M.S

Редактор С.Коляда

Составитель С.Кондратенко

Техред И. Корректор В.Синицкая

6796Тираж 483Подписное

ВНИИПН Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул. Проектная, 4