Устройство для обнаружения и локализации частиц потока нейтральных частиц Советский патент 1993 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится, в частности, к устройству для обнаружения и локализации частиц в потоке нейтральных частиц, излучаемых источником и распространяющихся в телесном углу ограниченного раскрыва, определенного вокруг среднего направления..

. Цель изобретения - увеличение пространственного размещения локализации нейтральных частиц.

Устройство согласно изобретению, предназначенное для обнаружения и локализации частиц в потоке нейтральных частиц, излучаемых источником и распространяющихся в телесном углу ограниченного раскрыва. определенного вокруг среднего направления, и содержащее плоский твердый преобразователь, размещенный в касательном падении относительно этого среднего направления; средства усиления и накопления зарядов, содержащие удлиненные проводники, электрически изолированные друг от друга, по существу параллельные между собой и параллельные

твердому преобразователю, причем твердый преобразователь и средства усиления и накопления зарядов размещены в камере с ионизируемым газом; проницаемой для нейтральных частиц, в основном отличается тем, что средства усиления и накопления зарядов выполнены электрически изолированными друг от друга, причем проводники средства усиления зарядов выполнены в виде электропроводных линий, а средства накопления подсоединены к источнику потенциала с возможностью сообщить этим средствам по тенциал, близкий к потенциалу твердого преобразователя.

Под электрическим потенциалом, близким к потенциалу преобразователя здесь понимается электрический потенциал, в известных случаях идентичный потенциалу преобразователю, но в любом случае более близкий к нему, чем к потенциалу средств усиления зарядов. По мере того, какзаря-ды, которые усиливаются путем стимулированной ионизации, являются отрицательными, накопленные заряды являются положительел

с

оо

g

о со ю

GJ

ными, таким образом, что проводники накопления зарядов играют роль катодов.

В то время, как в устройстве по предшествующему уровню техники удаленные проводники накопления зарядов служат также для усиления зарядов, в устройстве, согласно изобретению, предусматриваются полностью отдельные средства усиления и накопления зарядов.

Это особое расположение позволяет путем разделения конструктивных напряжений, воздействующих, с одной стороны, на средства усиления зарядов и, с другой стороны, на средства накопления зарядов, устранить недостатки, ограничивающие разрешающую способность известной системы.

В то время, как было необходимо подавать на средства усиления зарядов довольно большой потенциал, по отношению к преобразователю, для получения явления стимулированной ионизации такого, как лавина Таузенда, и для удерживания на достаточном удалении друг от друга проводимых линий усиления зарядов для придания созданному электрическому полю распределения, совместимого с использованием явления ускления, это требование наличия минимального расстояния между этими линиями непосредственно связано с ограничением разрешающей способности системы, так как эти линии служат также для накопления зарядов, а расстояние между ними определяет разрешающую способность системы.

Исключая это требование и позволяя уменьшать расстояние между проводниками накопления зарядов, изобретение расширяет возможности разрешающей способности известного устройства до технологических пределов.

Согласно этому способу выполнения устройства, согласно изобретению, средства накопления зарядов размещают в непосредственной близости, к, по меньшей мере, одной стороне преобразователя и отделяют от этой последней слоем изоляционного материала.

Согласно другому способу выполнения, твердый преобразователь образован из компланарных элементов, составляющих указанные проводники накопления зарядов.

Предпочтительно электропроводные линии, которые размещены в, по меньшей мере, одной плоскости, параллельной плоскости преобразователя, и имеют (каждая) одно направление, непараллельное направлению рассматриваемых проводников накопления зарядов.

В случае, когда устройство используется для формирования изображений предметов небольшого объема, можно приблизить источник нейтральных частиц к устройству

и, в том случае, преимущественным является такое положение, когда проводник накопления зарядов, оставаясь по-существу параллельными друг к другу, сориентирован таким образом, что их направления сходят0 ся к источнику нейтральных частиц.

Это особое расположение проводников накопления зарядов, при котором проводники не обязательно, а только приблизительно являются параллельными друг к

5 другу, позволяет сблизить источник и устройство, исключая проблемы, связанные с параллаксом; само это сближение позволяет увеличить число частиц, достигающих устройство, следовательно, достичь еще более

0 лучшего контраста полученных изображений; с другой стороны, это расположение позволяет, независимо от приближения источника, выполнять детекторы больших размеров и, тем не менее, без эффектов

5 параллакса; таким образом это расположение является, согласно изобретению, очень удобным вследствие того, что, так как проводники накопления зарядов являются независимыми от линий усиления зарядов,

0 можно выбирать расположение этих проводников без проблем, связанных с распре- делением электрического поля, ответственного за лавины.

Для промышленного выполнения уст5 ройства, согласно изобретению, изоляционный материал, предпочтительно, содержит листовой полимер, а проводники накопления зарядов образованы медными дорожками, гравированными на этом листовом

0 полимере.

На фиг. 1 изображен вид спереди системы для осуществления способа согласно изобретению; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид в перспективе

5 устройства обнаружения, которое может использоваться в системе по фиг. 1; фиг. 4 - принципиальная схема, иллюстрирующая способ изобретения и работу устройства по фиг. 3, выполненного согласно первому вы0 полнения; на фиг. 5 - вид подкомплекта обнаружения устройства по фиг. 3; фиг. 6 - принципиальная схема, аналогичная схеме по фиг. 4, иллюстрирующая работу устройства по фиг. 3, выполненного согласно вто5 рому способу выполнения.

На фиг. 1 позицией 1 показан источник нейтральных частиц, например, источник рентгеновских лучей, гамма фотонов или нейтронов. В типичном применении изобретения, источник 1 является источником

рентгеновских лучей, энергия которого составляет 250-750 кэВ.

Поток частиц, излучаемый этим источником, ограничивается, благодаря первому коллиматору 2, возбуждающим пучком 3, направленным, в совокупности, к комплекту детекторов 4, установленных на раме 5.

Одна из нескольких пластин 6 из материала, непроницаемого для излученных нейтральных частиц, например, из свинца, в случае использования рентгеновских лучей, размещаются между источником 1 и детекторами 4, в непосредственной близости к этим детекторам, и они снабжены прямоугольными щелями 7, каждая из которых представляет собой собственно коллиматор детектора 4.

В возбуждающем пучке 3 предусмотрены средства перемещения, показанные тележкой 8, которая может перемещаться в направлении, указанном стрелкой 9, увлекая за собой рассматриваемый предмет 10 таким образом, что этот предмет, при своем перемещении перемещает пучок 3.

Коллимирующие щели 7 перпендику- лярны направлению перемещения, указанному стрелкой 9.

На фиг. 3 более детально показан один из детекторов 4.

Этот детектор, который может пред- ставлять собой частное устройство, согласно изобретению, содержит, как это уже описано в вышеупомянутой европейской заявке на патент, камеру 11, проницаемую нейтральными частицами, содержащую газ и комплект обнаружения 12. удерживаемый кронштейнам 13.

Газ может представлять собой любую газовую смесь с возможностью проявления усиления зарядов путем стимулированной ионизации этого газа, например,появление явления лавина Таузенда, хорошо известного специалистам; для этой цели, этот газ может быть смесью 70% аргона и 30% этана, причем последний может являться веще- ством тушения (guencher). Давление этого газа может составлять, например, около одного бара.

Комплект обнаружения 12, который более детально будет описан со ссылкой на фиг. 4 и 5, имеет, по существу, плоскую форму; он удерживается кронштейном 13 для перехвата, в режиме касательного падения, потока нейтральных частиц, который, проходя через предмет 13 и коллимирую- щую щель 7, распространяется в виде плоского слоя 14.

Комплект обнаружения 12 и слоевой поток 14, оба, предпочтительно, являются перпендикулярными плоскости, перпендикулярной прямоугольной щели 7 соответствующего коллиматора.

Как показано на фиг. 3, слоевой поток 14 распространяется в телесном углу, раскрыв которого ограничивается коллимирующей щелью 7, причем этот телесный угол проходит вокруг среднего направления. 15, которое соответствует траектории одной частицы, проходящей через центр щели 7.

Слоевой поток 14, который проходит в поперечном направлении через часть предмета 10, имеет перпендикулярно своему направлениюраспространения, распределения интенсивности частиц, показывающей вид и толщину материала, что и является функцией комплекта обнаружения 12.

Как показано на фиг. 2, детекторы расположены в шахматном порядке таким образом, что любая часть предмета 10, облученная возбуждающим пучком 3, наблюдается через, по меньшей мере, один детектор,

Кроме уже описанных элементов, каждый детектор 4 снабжен одним клапаном ( не показан на фигуре) для впуска газа, а также герметичными вводами (не показаны на фигуре) для возможности подвода к комплекту обнаружения 12 наружного электрического потенциала + У, и для вывода на наружную сторону камеры электрических сигналов, которые генерируются этим комплектом и которые показывают распределение интенсивности частиц в слоевом потоке, следовательно, вид и толщину материала, и которые передаются проводниками 16.

На фиг. 4 показан, более детально, хотя и схематически, комплект обнаружения 12.

Такой комплект содержит твердый преобразователь, средства усиления зарядов и средства накопления зарядов.

Преобразователь принимает форму плоской пластины 17, размещенной в касательном падении по отношению к потоку 14, причем ненулевой угол падения составляет, например, менее 10 градусов и, предпочтительно, порядка одного градуса. Этот преобразователь, в случае использования рентгеновских лучей, представляет собой танталовую пластину толщиной 50-200 микрон.

Функцией этого преобразователя является генерирование, при падении принимаемого им потока 14 нейтральных частиц, ионизирующих частиц внутри камеры. Траектория одной ионизирующей частицы символически показана на фиг. 4 прерывистой линией Т1.

Средства усиления зарядов содержат, например, электрически проводимые линии 18, предпочтительно выполненные в форме очень тонких проводов, соединенные с наружным потенциальным источником, который поддерживается на положительном потенциале +У, причем этот потенциал составляет, например, порядка 3000 вольт.

В качестве примера, провода 18 выполнены из нержавеющей стали или из позоло ченного вольфрама; они имеют диаметр 50 микрон и размещены, по меньшей мере, примерно параллельно один относительно других, примерно 2,5 миллиметра друг от друга, в плоскости, по меньшей мере, примерно параллельной преобразователю, и на расстоянии примерно 2 миллиметра от этого преобразователя. Кроме того, их общее направление является поперечным по отношению к среднему направлению 15 распространения нейтральных частиц.

Ионизирующие частицы,такие как частица, которая распространяется по линии 11, вызывает образование, из молекул газа, содержащегося в камере 11, электрических зарядов, а точнее отрицательно заряженных электронов и положительных ионов.

Электроны, интенсивно привлекаемые электрическими линиями, соединенные с положительным электрическим потенциалом +У, вызывают, в свою очередь, например, путем лавин, появление электрических зарядов, из которых все отрицательные заряды притягиваются линиями 18. Это явление притягивания отрицательных зарядов этими линиями символически показано, на фигуре 4, стрелками из сплошных линий такими, как Т2.

Кроме преобразователя и средств усиления зарядов, которые описаны выше, каждый комплект обнаружения 12 содержит, согласно изобретению, средства накопления зарядов.

Хотя выражение средства накопления зарядов может априори применяться для линии 18, которые накапливают отрицательные заряды, выражение используется здесь для обозначения элементов, отличных от этих линий.

В частности, средства накопления зарядов содержат дорожки 19, соединенные с уже упомянутыми проводниками 16 или образованными этими проводниками.

Дорожки 19 образованы электрическими проводниками, соединенными с электрическим потенциалом,близким к потенциалу преобразователя, другими словами, с отрицательным потенциалом по отношению к потенциалу +У линий 18. Хотя и доведенные до такого же потенциала или до близких

потенциалов, дорожки 19 являются электрически изолированными друг от друга, а также от преобразователя, Хотя преобразователь может быть электрически изолированным для принятия плавающего электрического потенциала, он, предпочтительно, соединен с потенциалом земли, при этом дорожки 19 также соединены с потенциалом земли, но посредством емкостей та0 ких, как емкости 25.

В этих условиях, эти дорожки, хотя и полностью не играющие такую же роль, что и линии 18, ответственные за усиление зарядов, играют идентичную роль этих линий

5 относительно накопления зарядов и, более конкретно, играют роль катодов; фактически, положительные ионы, созданные явле- ниями лавины, привлеченные отрицательным потенциалом дорожек 19,

0 накапливаются этими дорожками: это явление символически показано, на фиг. 4, пунктирными стрелками такими, как ТЗ.

Дорожки 19 располагаются, например, по меньшей мере, примерно параллельно

5 друг к другу ив плоскости, по меньшей мере, примерно параллельно преобразователю. В примере выполнения, показанном на фиг. 4 и 5, эти дорожки размещаются в непосредственной близости к каждой стороне преоб0 разователя, на расстоянии от нее примерно 15 микрон. Их общее направление параллельно проекции на преобразователь 17 среднего направления распространения 15 нейтральных частиц; наконец, эти дорожки

5 распределены одни относительно других в направлении, по существу перпендикулярном этой проекции, на расстоянии, которое может составлять no-существу менее расстоянию между двумя соседними линиями

0 18 и даже, например, менее одного миллиметра.

Каждая дорожка 19, посредством проводника 16, который проходит через камеру 11, соединена с электронным устройством

5 20, символизирующим усилитель, способный усиливать и измерять общий заряд, принятый дорожкой, с которой он связан.

Каждая дорожка 19 отдельно может соединяться с одним электронным устройст0 вом 20, собственным для этой дорожки, или дорожки 19 могут, посредством само по себе известного уплотнения, по очереди соединяться с единым электронным устройством 20, которое, в этом случае, по5 следовательно измеряет заряды, принятые на различных дорожках,

Электронные устройства 20 хорошо известны специалистам и здесь излишне их описание. Их функция заключается в возможности визуального представления на

экране и, предпочтительно, хранения в электронной памяти в соответствующей форме, всех электрических сигналов, соответствующих зарядам, принятым различными дорожками 19, причем сами эти заряды показывают вид и толщину материала, через который проходят нейтральные частицы, которые достигают преобразователя 17 в различных его точках согласно направлению линий 18.

Вместо ориентирования дорожек 19 таким образом, чтобы они были строго парал- лельны между собой, одновременно возможно и является преимущественным, согласно изобретению, ориентировать каж- дую из этих дорожек 19 таким образом, чтобы она была направлена к источнику 1. Хотя, на практике, такое расположение приводит к отклонению двух соседних дорожек от их строгой параллельности только на очень не- большой угол, например, на одну десятую градуса, оно позволяет, без появления погрешностей параллакса, сблизить детектор 4 и источник 1 и принимать на детекторе, для одного и того же источника 1, большее количество нейтральных частиц, чем в случае, когда расстояние между детектором и источником является большим.

Комплект обнаружения 12 может быть выполнен согласно виду, показанному на фиг. 5.

Этот комплект обнаружения 12 образован наслоением, которое, за исключением некоторых деталей, является симметричным по отношению к своему среднему слою, который образован преобразователем 17, Функционально эквивалентные элементы, соответственно расположенные выше и ниже преобразователя в расположении, показанном на фиг. 5, обозначены одними и теми же позициями, соответственно с буквенными обозначениями S (верхний) и i (нижний).

На каждой из сторон преобразователя 17 наклеен, горячим способом и под давле- нием, с помощью соответствующего пол- имеризующегося клея, один лист 21S, 21 i из изоляционного материала, например, лист материала, продаваемого под маркой кап- тон, толщиной 12 микрон, причем наружная сторона этого листа первоначально покрывается, известным способом, слоем из меди толщиной 5 микрон.

После наклеивания этого листа, медный слой гравируют, путем фотолитографирова- ния, оставляя только прямолинейные дорожки, образующие дорожки 19. Для большей ясности, на фиг. 5, дорожки показаны в меньшем числе (4) и с большей сходимостью в то время, как, предпочтительно,

они представлены в большом количестве (например, 256), а их сходимость, которая зависит от расстояния от детектора до источника, практически является намного меньшей.

Противоположные проводники такие, как 16S и 161 вместе соединены с одним и тем же электронным устройством 20.

Над каждой плоскостью дорожек 19 размещается вставная рама такая, как 22S, 22i. Каждая из этих рам, прямоугольной формы, как и преобразователь 17, обеспечивает двойную функкцию: с одной стороны, она обеспечивает правильное удерживание преобразователя, позволяющее этому преобразователю сохранять как можно большую горизонтальность, и с другой стороны, она определяет пространство , в вертикальном направлении на фиг. 5, между плоскостью дорожек 19 и последующими слоями элемента обнаружения,

Каждая рама 22S, 22i имеет толщину, примерно, около 1,5 миллиметра и может быть выполнена либо из эпоксидной смолы со стекловолокном, либо из нержавеющей стали,

Однако, в этом последнем случае, дорожки 19 и рамы 22S и 22i разделены изоляционным материалом, с целью исключения короткого замыкания разных дорожек через эти рамы; кроме того, передний край нижней рамы 22i образован из материала, очень проницаемого для нейтральных частиц с тем, чтобы не создавать тени на преобразователе.

Над каждой рамой 22S, 221 размещен плоский кронштейн 23S,23i, также принимающий форму прямоугольной рамы и выполненный, например, из эпоксидной смолы со стекловолокном. На стороне каждого из кронштейнов, которая противоположна раме 22S, 221, натянуты провода 18, которые электрически соединены между собой и с с иточником потенциала +У с наружной стороны камеры 11.

Над каждым кронштейном 22S, 23 размещается дополнительный плоский катод 24S, 24i, электрически изолированный от проводов 18, например, посредством соответствующих изолирующих накладок 24р и доведенный до того же самого потенциала, что и преобразователь 17, хотя и факультативно, этот дополнительный катод, который позволяет осуществлять симметризацию электрического поля вокруг проводов 18, способствует улучшению характеристик.устройства.

Над верхним дополнительным катодом 24S может быть размещена изолирующая пластина 25, позволяющая изолировать

этот катод 24S от кронштейна 13, с которым он жестко связан; в той степени, 8 которой потенциалы этого катода и этого кронштейна могут выбираться равными между собой и потенциалу земли, например, пластина 25 является оптационной.

Наслоение, образованное различными слоями, показанными на фиг. 5, например, жестко связано с кронштейном 13 посредством нейлонового винта для исключения какой-либо передачи электрического потенциала с одного слоя на другой.

Хотя в примере выполнения, описанном со ссылкой на фиг. 5, упоминается о симмет-- ричном монтаже, специалисту понятно, что детектор, соответствующий этому примеру выполнения, может быть сконструирован с исключением элементов, которые на фиг. 5 показаны либо под преобразователем, либо над ним.

На фиг. 6 схематически показан другой способ выполнения изобретения, по которому преобразователь 17 состоит, например, благодаря нарезке танталовой пластины, из компланарных элементов таких, как 17а, 17в, 17с, которые вместе, кроме функции преобразователя, выполняют функцию дорох.ек накопления 19,описанных со ссылкой на фиг. 4.

Эти компланарные элементы такие, как 17а, 17в, 17с имеют, следовательно, расположение, описанное для дорожек 19 по фигурам 4 и 5, являются электрически изолированными между собой, индивидуально соединены с потенциалом земли через емкости такие, как 25 и индивидуально или по очереди, посредством уплотнения, соединены, с по меньшей мере, одной электронной схемой такой, как 20.

Согласно другому примеру выполнения изобретения, по меньшей мере, один из дополнительных катодов таких, как катод 24S, может быть образован плоскостью дорожек накопления зарядов 19 взамен или в дополнение к дорожкам накопления, расположенными в непосредственной близости к преобразователю или представленными самим преобразователем.

Формула изобретения 1. Устройство для обнаружения и локализации частиц потока нейтральных частиц, испускаемых источником и распространяющихся под постоянным углом с известной величиной среднего направления, включающее плоский твердый преобразователь, установленный по касательной к среднему на- правлению распространения частиц, средства усиления и накопления зарядов,

содержащие проводники, электрически изолированные друг от друга и параллельные друг другу и расположенные в плоскостях, параллельных твердому пробразователю, причем твердый преобразователь и средства усиления и накопления зарядов размещены в камере с ионизируемым газом, проницаемой для нейтральных частиц, отличающееся тем, что, с целью увеличения пространственного разрешения локализации нейтральных частиц, средства усиления и накопления зарядов выполнены электрически изолированными друг от друга, причем проводники средства усиления зарядов выполнены в виде электропроводных линий, а средства накопления зарядов подсоединены к источнику потенциала с возможностью сообщать этим средствам потенциала,близкий к потенциалу твердого преобразователя.

2. Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что средства накопления зарядов размещены в непосредственной близости, по меньшей мере, к одной стороне преобразователя и отделены от последней слоем

изолирующего материала.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что твердый преобразователь образован компланарными элементами, каждый их которых включает проводники средства накопления зарядов.

4. Устройство по пп. 1-3, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что электропроводные линии средства усиления размещены дополнительно по меньшей мере в одной плоскости, параллельной плоскости преобразователя, и имеют одно направление, непараллельное направлению проводников средств накопления зарядов.

5. Устройство по пп. 1-4, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что проводники средств накопления зарядов расположены по направлениям, которые сходятся к источнику нейтральных частиц.

6. Устройство по пп. 1-5, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что в качестве изолирующего материала используют полимер в виде пластины, а проводники средств накопления зарядов выполнен в виде медных дорожек, выгравированных на указанной пластине полимера.

cpuz.2

Фиг.$

Использование: обнаружение и локализация частиц потока нейтральных частиц. Сущность изобретения; детектор содержит плоский твердый преобразователь, размещенный в касательном падении, сеть проводов усиления зарядов с использованием стимулированной ионизации газа и дорожка накопления зарядов. Эти дорожки размещаются в непосредственной близости к преобразователю и имеют с ним один и тот же электрический потенциал. Применяется при формировании изображений. 5 з.п. ф- лы. 6 ил.