Вибротермопрочный детектор гамма-излучения Советский патент 1992 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к детектиРУЮ1ЧИМ устройствам для регистрации жесткого гамма-излучения и может найти широкое применение при конструировании и контейнеризации вибротермопрочных сцинтилляционных детекторов , используемых в геологических и геофизических (полевых) исследованиях

1 ироко известны детекторы общего назначения на основе сцинтилляционных щелочногалоидных монокристаллов (1НГК), например Nal(Tl), Cfi(Tl), представляющих собой активный элемент детектора гамма-излучения, преобраЗУЮ1.ЦИЙ энергию гамма-квантов в световую, которая в свою очередь регистрируется фотоэлектронным умножителем, Активный элемент детектора (монокристаллический сцинтиллятор) заключен в герметичный корпус, имеющий

сл

с

отражатель и выходное окно. Выходное окно изготовлено из аморфного материала, например стекла, с коэффициен00том линейного расширения 5-12 «

о )с10- //град.

О

Торцы выходного окна выполнены зер

I

ел кальногладкими с шероховатостью

чО ,05.

00

Выходное окно вклеивается в металлический кожух. Пространство между активным элементом и внутренней поверхностью корпуса заполнено отражателем, представляющим собой мелкодисперсный порошок белого цвета. Он служит для увеличения доли светового потока, выходящего через выходное окно корпуса,а также для механической фиксации активного элемента путем его зажатия между уплотненным слоем отра жателя и выходным окном.

Активный элемент находится в оптическом контакте с выходным окном. Оптический элемент осуществляют с помоцью слоя иммерсионной жидкости. Введение этой жидкости увеличивает выход свята из сцинтиллятора через ныходное окно на фотоэлектронный ум сожитель. Зтот эффект обусловлен тем что шел ОМ io-r зяоидные монокристаллы имеют высокий показатель преломления (,8) и выход света из сцинтиллятора при отс:утст8ии. иммерсии (оптического контакта) ограничивается преде.,м углом полного внутренне1,

отражения (i,,arcsin ), Введение п

иммерсии с показателем преломления Uj-IsS, близким к показателю преломлен1Гя материала выходного окна, приводит к увеличению предельного угла

-1i

п,

t. причем ij

arcsin -п

Из-за ТОГО;, что коэффициенты линей -1ого расширения щелочно галоидь:ых монокристаллов и материалов выходного окна значительно различают ся (например, i5 Ю 1/град стекло К-8 5-1 tr 1/град) а качестве иммерсии используют нетвердеющие клеи, обычно кремнийорганические (силиконовые) мзсла.

Температурный диапазон работы таких детекторов ограничен свойствами применяемой иммерсионной жидкост снизу - температурой ее отвердевания сверху - температурой, при которой вязкость этой лцидкости становится настолько малой, что легко вытекает из зоны контактаf зпитывается а слой отражателя и т.-д. Отвердевание жидкости приводит к тому,, что дальнейшее охлаждение детектора сопровомщается разрушением (растрески.ванием) его активного элемента или выходного окна из-за значительных различий в коэффициентах линейного расширения материалов, из которых они изготовлены. Поэтому температурный диапазон надежной работы детекторов общего назначения составляет «-ZO Это - основной недостаток детектора обдего назначенияе Они также не обладают достаточной вибропрочноетью, так как в процессе воздействия аибраци1 происходит нарушение оптического онтакта вследствие выдавлиаания игадерсионной жидкости из пространства между торцом активного элемента; и поверхностью выходного окна,

Ближайшим к заявляемому является рибротермопронный детектор гамма-излучений на основе неорганического сцинтиллятора, заключенного в герметичный корпус, снабженный порошкообразным отражателем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором.

Он представляет собой сциитилляционный детектор с активным элеменtoM, изготовленным из щелочно-галоидного монокристалла, например Nal(Tl) или Csl(Tl), преобразующим энергию гамма-квантов в световую, которая в свою очередь регистрируется фотоэлектронным умножителем.

Активный элемент детектора (монокристаллический сцинтиллятор) заключен в герметичный корпус, имеющий отражатель и выходное окно. Выходное

окно изготовлено из аморфного материала, например стекла, с коэффициентом линейного расширения 5-12«10 1/трад. Торцы выходного окна выг олнены зеркально гладкими.

Выходное окно вклеивается в металлический кожухо Пространство между активным элементом и внутренней поверхностью кожуха заполнено отражателем, представляющим собой мелкодисперсный порошок белого цвета. Он служит для увеличения доли светового потока, выходящего через выходное окно корпуса, а также для механической фиксации активного элемента путем его зажатия между уплотненным слоем отражателя и выходным окном. Активный элемент находится в оптическом контакте с выходным окном лишь на части площади торца (не более 0%), Оптический контакт .осуществляется путем притирки соприкасающихся поверхностей | насухо, что возможно только б. том случае, если сопрягаемые поверхности имеют достаточную плоскость и высокую чистоту поверхности (величина воздушного зазора должна быть менее половины длины волны собственного излучения, т.ео менее 210 НМ). На остальной площади торца ( и более) между поверхностями активного элемента и выходного окна имеется слой воздуха. Наличие воздушного зазора снижает выход света из 5Р сцинтиллятора через выходное окно на фотоумножитель, так как в этом случае для большей доли света (60) предельный угол полного внутреннего отражения i arcsin г-5 I, о лишь для меньшей доли света (/v kQ%) 1.5 ro Tg 52 i| arcsin Указанное обусловливает основной недостаток описанного детектора. Наряду с этим у детекторов, упакованных как описано наблюдается выдавливание стекла сцинтилляторо или растрескивание его за счет различного коэффициента линейного расширения сцинтиллятора и металлического кожуха. Цель изобретения - повышение све тового выхода детектора и устранени выдавливания выходного окна при со хранении термопрочности. Поставленная цель достигается тем, что в известном вибротермопроч ,(ном детекторе гамма-излучений на ос нове неорганического сцинтиллятора, заключенного в герметичном корпусе, снабженном порошкообразным отражате лем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором, выходное окно выполнено из кристаллического материала с коэффициентом линейного расширения 310 -5-10 1/град, предпочтительно лития фтористого, причем сцинтиллятор к выходному окну жестко прикреплен полимеризущимся клеем, а само окно выполнено в виде усеченного конуса, входящего в коническую масть корпуса. Малая разность коэффициентов линейного расширения позволяет производить приклейку сцинтиллятора к выходному окну (создание оптического контакта) твердеющим полимеризующим клеем (например, Эластосил-1102). Само выходное окно изготовлено в виде пластины с конусной боковой поверхностью и вклеивается в посадочное место корпуса, имеющего такую же конфигурацию. Со стороны входного окна сцинтиллятор прижимают пружиной, обеспечивающей более высокую прочность соединения сцинтиллятора с выходным окном и играющей роль компенсатора температурного расширения элементов детектора. Наличие конусности на боковой поверхности выходного окна и посадочном месте корпуса препятствует выдавливанию выходного окна и тем самым повышает прочностные характеристики детектора. При регистрации гамма излучеп:1я с помощью заявленного детектора происходят следующие процессы. Гамма-квант, падающий на входное окно детектора или на его боковую поверхность, попадает в сцинтиллятор и передает ему полностью или частично свою энергию. Возникшие при этом один или несколько электронов создают в сцинтилляторе световую вспышку-сцинтилляциЮд Возникший с-зето вой поток после однократного или многократных отражений от порошкообразного отражателя и преломления на границах раздела выходит через выходное окно, изготовленное из прозрачного монокристаллического фтористого лития на фотокатод фотоэлектронного умножителя о Наличие иммерсии (прозрачного твердеющего полимеризующегося клея) между сцинтиллятором и выходным окном увеличивает предельный угол полного внутреннего отражения и тем самым долю выходящеРо из сцинтиллятора света о При этом световой выход детектора повышается, а энергетические разрешения улучшаются до величин, равных этим характеристикам у аналога . При работе в области температур -60 - +1«0с происходит изменение размеров элементов детектора - корпуса сцинтиллятора, выходного окна. Предлагаемая конструкция обеспечивает целостность сцинтиллятора выходного окна и оптического контакта между ними за счет близости коэффициентов линейного расширения материалов выходного окна, сцинтиллятора и контей нера, эластичности применяемой иммерсии и наличия тонкой конусной части на корпусе детектора. Вклейка выходного окна в конусную часть корпуса препятствует выдавливанию его при резких изменениях температуры окружающей среды, а также повышает виброи ударопрочность детектора, Изменение линейных размеров элементов детектора при изменении температуры окружающей среды компенсируется также пружиной. 8 HO фиг, 1 представлен петектор гамма-излучения предложенной кон- , струкции; на фиго 2 -- корпус детектора с Детектор представляет собой активный элемент - монокристаллимеский сцинтиллптор 1, заключенный-в герметичный контейнер, состоящий из корпуса 2 {(|)иг, 2), входного окна 3 и выходного окна А. Выходное окНо пклеено в конусную масть корпуса 2. Фиксация и центровка активного элемента 1 в контейнере осуществляется и,ентрирую дими кольцами 5 и 6. Кольi o 6, центрирующее активный элемент 1со стороны входного окна, выполнено коническим (по форме боковой поверхности активного элемента). На корпусе 2 со стороны входного jOKHa имеется резьба, на которую наКкручивается входное окно (крьшка З) (фиг, 2).-Пространство между боково гюверхностью, торцом активного элеf-.eHTa со стороны входного окна, и со ответствующими ,поверхностями корпу 2и -крышки 3 заполнено отражателем 7, Торец активного элемента; со стороны выходного окна сочленен с выхо ным окном k с помсидью твердеющего полимеризующегося клея о Между входным окном 3 и отражателем 7 контейнера детектора помещаются диск 8 ипрум ина 9. Работа предложенного устройства заключается в следующем. Гамма-квант, падающий на входное окно 3 детектора (или на его бокову поверхность), попадает в сцинтиллятор 1 и передает ему полностью или частично свою энергию. Возникающий при этом электрон (электроны) созда ют световую вспышку - сцинтилляцию. Возникший свет после отражений от отражателя 7 и преломления на границах раздела (сцинтиллятор 1 - иммерсионный слой) выходит через выходное окно . Наличие прозрачного клея между сцинтиллятором 1 и выходным окном k увелич4 вает предельный угол выхода света и тем самым световой выход flejeKTopa и его энергетическое разрешение. При работе в области переменных температур происходит изменение размеров элементов детектора - корпус 2, сцинтиллятора 1, выходного окна о Однако различие в коэффициентах расширения алюминия и фтористого лития ( 1/грап) не приводит к разрушению последнего благодаря указанной величине и пластичности тонкой конусной части корпуса 2. Расширение сцинтиллятора 1 компанируется пружиной 9 через диск В. Прочность сочленения выходного окна j и корпуса 2 обеспечивается вклейкой и конусностью его, благодаря чему оно не выдавливается. Таким образом, предлагаемая конструкция сочетает в себе более высокий световыход, вьюокие сцинтилляционные характеристики и работоспособность в широком диапазоне температур (-60 - +li40°C). Наряду с этим достигается дополнительный положительный эффект повышение механической прочности, исключается выдавливание стекла сцинтиллятором или его растрескивание, В таблице приведены сопоставительные данные работы предложенного устройства и устройства-поототипа.

fMrfff f.,f,,f,fffff.ftfffffif.,,f,rM,,,.f:,,,

Г| к $ % ит тягд10(8П1М11119 ; угдмарйеаи№Ц : } DM;:17

I I

Фиг.

iKfffil fMnriffjrjfjPf ffJf innrfjr firjftrffffff rf .

ВИБРПТЕРМОПРОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР rAMf A-ИЗЛУЧЕНИЯ на основе неорганического моносцинтиллятора, заключенного в герметичный корпус, снабженный порошкообразным отражателем и прозрачным выходным окном, смежным со сцинтиллятором, отличаю щийс я тем, что, с целью повышения световыхода детектора, выходное окно выполнено из кристаллического материала с коэффициентом линейного расширения 3 10 -5-10 1/град предпочтительно лития фтористого, причем сцинтиллятор к выходному окну жестко прикреплен полимеризую1чимся клеем, а само окно выполнено в виде усеченного конуса, входящего в коническую часть корпуса.

.ry f7 ff :ffrf ffffffj-7f /f/ j ffff f77

Фиг. I