Газовый пропорциональный детектор Советский патент 1992 года по МПК H01J47/06 

Изобретение относится к детекторам ионизирующих излучений, а конкретно к газовым пропорциональным детекторам (счетчикам) тороидальной конструкции. Преимущественная область применения - детектирование рентгеновского и гамма-излучения, например, излучения, рассеиваемого исследуемым образцом, в ядерной гамма-резонансной спектроскопии, рентге- нофлуоресцентном анализе.

Тороидальный пропорциональный детектор содержит полый внешний отрицательный электрод - катод, форма полости в котором близка или топологически эквивалентна тору, и который обычно служит корпусом конструкции, и помещенный внутри полости положительный электрод - анод в виде тонкой нити, расположенной кольцеобразно вблизи малой (кольцевой) оси тороидальной полости. Нить для придания ей необходимой формы укрепляется на изолированных несущих элементах - стойках или растяжках. В реальных конструкциях нить

может располагаться не строго по окружности, а по многоугольнику, однако отклонение от окружности считается вредным и его стараются сделать как можно меньше. Пространство между электродами заполняется специальной газовой смесью (инертный газ с гасящими добавками), а напряжение между электродами выбирается таким, чтобы лавинное умножение электронов вблизи анода обеспечивало коэффициент газового усиления КГУ 100.

Величина КГУ резко зависит от напряженности электрического поля вблизи анодной нити, при типичных условиях работы пропорционального детектора относительное изменение КГУ, а следовательно и амплитуды выходного импульса детектора, в 10 раз превосходит относительное изменение напряженности поля.

Основной трудностью при конструировании подобных детекторов является получениедостаточновысокогоэнергетического разрешения и низкого

со

С

vi

Ј

i-N О Ю О

уровня фона, создаваемого побочными линиями излучения, часто присутствующими в измеряемых спектрах. Обычно по этим параметрам тороидальные детекторы существенно уступают цилиндрическим из-за худшей однородности электрического поля вокруг анодной нити.

В качестве прототипа выберем наиболее распространенную двухэлектродную конструкцию тороидального детектора. Указанный детектор содержит металлическую тороидальную камеру, заполненную рабочим газом и служащую катрдом, и укрепленную на изолированных опорах анодную нить, расположенную в виде многоугольника вблизи малой (кольцевой) оси тора. Основным недостатком этой конструкции является низкое энергетическое разрешение - 2,2 кэВ в коллимированном пучке и 3,4 кэВ в рассеянном (на гамма-линии 14,4 кэВ изотопа кобальт-57), в то время как у цилиндрических пропорциональных детекторов, например типа СИ-11, оно достигает 1,6кэВ.

Известные технические решения, направленные на улучшение однородности поля вокруг нити, не затрагивают таких деталей конструкции детектора как несущие элементы, на которых укрепляется анодная нить.

Проведенное нами исследование показало, что существенное отрицательное влияние на энергетическое разрешение и уровень фона детектора такой конструкции оказывают элементы крепления анодной нити (далее - опоры). Для приближенной оценки этого влияния применим формулы цилиндрического конденсатора, считая и анодную нить и ее опоры длинными и тонкими, по сравнению с размером полости, цилиндрами и пренебрегая поэтому отклонением формы полости от цилиндрической.

На фиг.1 нить 1 укреплена на оси полого цилиндрического катода 2 на диэлектрической опоре 3. Вдали от опоры напряженность электрического поля на поверхности нити

Е

П

1

П Uo I n ( n/R )

а распределение потенциала внутри

полости

-.$$}

(2)

где П - радиус нити; R - радиус полости; х- режущая радиальная координата; Do - напряжение питания;

0

5

0

5

0

5

q - линейная плотность заряда.

Распределение потенциала вдоль опоры 3, изготовленной из изоляционного материала, определяется даже у лучших диэлектриков электропроводностью этого материала (как правило поверхностной):

U2(x) U0 Ј(3)

и отличается от распределения потенциала в свободном пространстве (2) на величину AU U2-Ui.

Отличие потенциала на цилиндрической диэлектрической опоре (фиг.1 а) достигает в средней ее части половины напряжения питания, еще большие значения Аи достигаются на диэлектрической опоре, заглубленной в корпус (фиг.1 б), и на металлической опоре, укрепленной на изоляторе 4 (фиг.1 в), т.е. на типичном электрическом выводе анода.

Каждый участок опоры искажает исходное распределение электрического поля так же, как электрический заряд

Q AUC(4)

где С - емкость этого участка. Заряд Q создает вблизи точки закрепления анодной нити потенциал 0/х и, следовательно, снижает значение напряженности электрического поля на поверхности нити на величину ДЕ, определяемую соотношением С Е ТГ 1Г

После интегрирования вдоль опоры получим вблизи точки закрепления

(5)

40

45

ДЕ

I,, I n (I n(n/R))

I П ( 1/Г2 + 1 ) In ( M/R )

(6) где I - длина опоры,

Г2 - ее радиус.

При типичных размерах элементов конструкции детектора:

R 10-20 мм,

П 10-40 мкм,

Г2 0,05 - 0,5 мм отклонение напряженности электрического поля Е на нити от исходного невозмущенного значения составляет 10 - 30%, что ввиду очень резкой зависимости КГУ от Е вызывает изменение 50 (снижение) КГУ в 1,5-Зраза.

Это обстоятельство приводит как к снижению энергетического разрешения детектора (формированию хвоста спектральной 55 линии со стороны низких энергий), так и к повышению уровня фона в результате попадания в область рабочей линии спектра хвостов от более жестких компонент излучения при сложном его спектре.

Целью настоящего изобретения является повышение энергетического разрешения детектора путем устранения искажения электрического поля несущими элементами анодной нити.

Для достижения указанной цели предлагается газовый пропоциональный детектор ионизирующего излучения, содержащий помещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный электрод - катод и положительный электрод - анод, выполненный в виде тонкой нити, расположенной кольцеобразно внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах, отличающийся тем, что отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5.

Таким образом, в предлагаемой конструкции детектора расстояние между анодной нитью и катодом не постоянно подлине нити, а существенно уменьшается вблизи опор.

Поскольку (см. ф-му (1)) напряженность поля на нити

Ci

,

(6)

где п - емкость анодной нити на единицу длины, то для компенсации сдвига ДЕ, вызванного искажением поля опорой (см.ф-лу (4)), следует пропорционально ДЕ/Е, т.е. на 10 - 30%, повысить на данном участке нити ее погонную емкость на катод.

При выполнении этого условия искажения электрического поля на нити зарядами противоположных знаков, находящимися на опоре и на катоде, взаимно компенсируются, чем и достигается указанная цель изобретения.

Предлагаемый детектор обладает новым свойством, заключающимся в возможностиустраненияискаженияэлектрического поля несущими элементами, благодаря чему в 1,5 - 2 раза повышается энергетическое разрешение детектора.

Относительное изменение емкости 6 С при смещении анодной нити от оси катода можно оценить по формуле:

(17

0 u I n ( RTrTj

или

е V1-exp(-(5C-ln(R/n)),(8)

где 6 d/R-относительное, a d -абсолютное смещение нити от оси катода, например, в направлении опоры (фиг.1 г).

(7)

Для изменения погонной емкости нити на 5% смещение, согласно ф-ле (8), должно составить 0,6 R, на 10% - 0.75R при типичном для пропорциональных детекторов зна5 чении ln/(R/n) 7.

Точное значение смещения, при котором достигается полная компенсация искажений поля, чувствительно к несущественным особенностям конструк10 ции и не может быть вычислено заранее в общем виде, его проще всего подбирать экспериментально.

Сущность изобретения поясняют фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 схематически показано

15 крепление анодной нити 1 внутри катода 2 на диэлектрических опорах 3 и на металлической опоре, установленной на изоляторе 4. Фиг.1 а, б, в - постоянное по длине нити

20 расстояние между нитью и катодом, фиг.1 г - непостоянное. На фиг.2 схематически показано сечение тороидального детектора медианной плоскостью; 1 - анодная нить (1 а - известное, 1 б - новое расположение), 2

25 - катод, 3 - опоры.

Детектор содержит помещенные в газовую среду тороидальный отрицательный электрод - катод 2 и положительный электрод - анод, выполненный в виде тонкой

30 нити 1, расположенной кольцеобразно внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах (опорах) 3, причем отношение расстояния между катодом и

35 анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5.

Экспериментальная проверка изобретения проведена на макете тороидального

40 детектора, выполненном согласно фиг.2. Максимальный диаметр тороидальной полости в медианном сечении 85 мм, минимальный 20 мм. Сечение полости радиальной плоскостью имело вид непра45 вильного шестиугольника, радиус анодной нити п 15 мкм, радиус стеклянных опор Г2 - 0,4 мм (практически такие же результаты получены при использовании капроновых растяжек с Г2 25 мкм), напряжение

50 питания Uo 1450 В, газовое наполнение 70% Кг, 27% Не, 3% CH/j при общем давлении 740 мм рт.ст.

При расположении анодной нити в виде правильного шестиугольника, максимально

55 приближенного к окружности, проходящей через центр тяжести контура радиального сечения полости, (положение 1 а на фиг.2) амплитуда электрического импульса, соответствующего энергии гамма-квантов изотопа кобальт-57 14,4 кэВ, т.е. величина КГУ в середине участка нити между точками ее

закрепления на опорах в 1,5-2 раза, в зависимости от U0, превосходила амплитуду импульса от участков нити вблизи точек ее закрепления.

При уменьшении длины диэлектриче- ской опоры 3 до 4 мм значения КГУ на свободных участках нити и вблизи опор сравниваются, а при дальнейшем уменьшении высоты опор величина КГУ вблизи опор начинает превосходить КГУ в середине сво- бедного участка нити. Минимальная высота опоры практически ограничивается электрическим пробоем по поверхности диэлектрика.

Испытания проведены также при мон- таже нити в виде 4- и 5-угольника (1 б на фиг.2), в этих случаях также удается путем подбора высоты опор выравнивать значения КГУ на различных участках нити и получать как в коллимированном, так и в рассеянном пучке излучения энергетическое разрешение, практически совпадающее с разрешением цилиндрических пропорциональных счетчиков типов СИ-11 и СРМ-20 с таким же газовым наполнением (лучше 1,6 кэВ на линии 14,4 кэВ), что в 1,5 - 2 раза лучше, чем у прототипа, и приближается к предельному разрешению пропорциональных детекторов.

Очевидно, приведенные примеры не исчерпывают возможных вариантов реализации предлагаемой конструкции. Например, анодная нить не обязательно должна лежать в одной плоскости, опоры могут распо- лагаться не перпендикулярно, а параллельно или под другим углом к той стенке камеры, к которой приближается .нить и т.д.

Формула изобретения

Газовый пропорциональный детектор ионизирующего излучения, содержащий помещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный электрод - катод и попожительный электрод - анод выполненный в виде тонкой нити, расположенной кольцеобразно, внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетического разрешения детектора путем устранения искажения электрического поля несущими элементами, отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5.

Использование: приборы для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. Сущность изобретения: детектор содержит помещенные в газовую среду полый тороидальный отрицательный электрод-катод и положительный электрод-анод, выполненный в виде тонкой нити, расположенной кольцеообразно в виде многоугольника внутри полости катода и укрепленной в одной или нескольких точках на изолированных несущих элементах. Отношение расстояния между катодом и анодной нитью в точках ее закрепления к среднему по длине нити расстоянию между катодом и нитью меньше или равно 0,5. 2 ил.

г 1

1У.

Х1

i-lo

9 1Ј О

К

77777777Л

бв

Фиг.1

У/////////.

Фиг. 2