Охлаждаемый полупроводниковый датчик ядерных излучений Советский патент 1987 года по МПК G01T1/24 H01L31/02 

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, в частности, к блокам детектирования рентгеновского и гамма-излучения на основе охлаждаемых полупроводниковых детекторов (ППД). Современные блоки детектирования ядерных излучений состоят из охлаждаемого датчика ядерных излучений, .размещенного внутри вакуумного криостата, и неохлаждаемой основной секции предусилителя. Известен охлаждаемый датчик ядерных излучений, содержащий ППД, метал лический хладопровод и головной каскад предусилителя. Причем, металлический хладопровод выполнен стержневым, на одном его торце установлен ППД, другим торцом он соединен с хладопроводом криостата, а элементы схемы охлаждаемого головного каскада предусилителя размещены под детектором. Основными недостатками этогодатчика являются ограниченная возможность его использования из-за большо го диаметра датчика и отсутствие экранировки элементов конструкции, находящихся под высоким потенциалом от входа предусилителя, что приводит к влиянию электрических наводок на основные характеристики датчика и невозможности обеспечения оптимальных тепловых режимов головного каскада :предусилителя и ПДЦ„ Наиболее близким к изобретению по технической сущности является охлаждаемый полупроводниковый датчик ядер ных излучений, содержащий ППД, голов ной каскад предусилителя с экраном и cиcтe fy охлаждения, выполненную из хладопровода криостата и двух полых, изолированных друг от друга, коаксиально расположенных металлических ци линдров, из которых внешний цилиндр служит шиной питания ППД, установлен ного внутри этого цилиндра в его тор цовой части, а внутренний цилиндр экраном головного каскада предусилителя, расположенного в его полости, и прикреплен одним торцом к ППД через диэлектрическую прокладку. Недостатком этого устройства явля ется то, что охлаждение полупроводникового детектора в нем осуществляетс через внутренний полый цилиндр, внут ри которого расположен головной каскад предусилителя. При этом, вдоль оси внутреннего цилиндра всегда будет существовать перепад температур: температура будет увеличиваться от места присоединения датчика к хладопроводу криостата и ППД. Температура ППД, укрепленного на диэлектрической теп- . лопроводящей пластине, играющей роль хладопровода детектора, всегда будет вьш1е, чем температура хладопровода криостата и температура головного каскада предусилителя, находящегося ближе к хладопроводу криостата. Однако известно, что оптимальная рабочая температура полевого транзистора, входящего в головной каскад предуси лителя, значительно выше (120-160 К), чем оптимальная рабочая температура ППД, которая составляет 70-90 К. Так как при данной конструкции датчика диэлектрическая прокладка, на которой закреплен ППД, должна быть изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, то введение подогрева головного каскада предусилителя, часто используемое в подобных датчиках, вызовет одновременное повышение температуры ППД. Целью изобретения является повышение энергетического разрешения путем обеспечения оптимальных рабочих температур ППД и головного каскада предусилителя. Указанная цель достигается тем, что в охлаждаемом полупроводниковом датчике ядерных излучений, содержащем ППД, головной каскад предусилителя с экраном и систему охлаждения, выполненную из хладопровода криостата и двух полых, изолированных друг от друга, коаксиально расположенных металлических цилиндров, из которых внешний служит шиной питания ППД, установленного внутри этого цилиндра в его торцовой части, а внутренний экраном головного каскада предусилителя, расположенного в его полости, прикреплен одним торцом к ППД через диэлектрическую прокладку, внешний цилиндр с торца, противоположного месту установки ППД, непосредственно соединен с хладопроводом криостата, свободный торец внутреннего цилиндра изолирован от внешнего цилиндра вакуумным зазором, а диэлектрическая прокладка выполнена из теплоизоляционного материала. Предлагаемое вьшолнение датчика приводит к тому, что хладопроводом датчика будет не внутренний цилиндр с находящимися в его полости головным каскадом предусилителя, как в прототипе, а внешний. В результате температура ППД, находящегося в непосредственном тепловом контакте с хладопроводом криостата, будет всегд ниже температуры головного каскада предусилителя, перепад температур между хладопроводом криостата и ПГЩ уменьшится, что приведет к понижению температуры 1ЩЦ. Наличие диэлектрической прокладки из материала с низкой теплопроводностью, которая будет играть роль тепловой развязки между ППД и головньм каскадом предусилителя в отличие от диэлектрической прокладки в прототи.пе, играющей роль хладопровода детектора, и соответственно своему назначению, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, обеспечит необходимый перепад температур между ППД и головным каскадом предусилителя . На чертеже схематически изображен осевой разрез предлагаемого охлаждаемого полупроводникового датчика ядерных излучений. Датчик состоит из ППД 1, закрепленного внутри внешнего металлического цилиндра 2 в верхней его части, внутреннего цилиндра 3. Внутренний цилиндр 3 закреплен к ППД через диэлектрическую теплоизолирующую прокладку 4, играющую роль тепловой развязки, и служит корпусом и электрическим экраном головного каскада предусилителя 5, расположенного в нем. Торцом цилиндра 2 датчик присоединяется к хладопроводу 6 криостата 7. . При работе с датчиком процесс теплопередачи происходит по цепочке: головной каскад предусилителя 5, внутренний цилиндр 3, диэлектрическая теплоизолирующая прокладка (тепловая развязка) 4, ППД 1, внешний цилиндр (хладопровод датчика) 2, хладопровод криостата 7. Это обеспечивает следующее распределение температур: самая высокая температура (120-160 К) на головной секции предусилителя 5, самая низкая - на торце внешнего цилиндра 2, присоединенного к хладопроводу 6 криостата 7, Поскольку ППД 1 укреплен непосредственно на внешнем цилиндре 2, перепад температур между хладопроводом 6 криостата и ШЩ составляет 3 К, что в 5 раз меньше, чем у известного датчика - прототипа. Таким образом, предлагаемый охлаждаемый датчик ядерного излучения обеспечивает оптимальные рабочие температуры ППД и головного каскада предусилителя, что понижает значение одного из основных параметров датчиков - энергетического разрешения, тем самым позволяет повысить точность анализа элементного состава вещества при использовании датчика в составе спектрометра для исследований в области медицины, кристаллографии, металлургии и т.д.

ОХЛАЖДАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащий полупроводниковый детектор (ППД), головной каскад предусилителя с экраном и систему охлаждения, выполненную из хладопровода криостата и двух польк, изолированных друг от друга, коаксиально расположенных металлических цилиндров, из которых внешний служит шиной питания ПДЦ, установленного внутри .этого цилиндра в его торцовой части, а внутренний экраном головного каскада предусилителя, расположенного в его полости, и прикреплен одним торцом к ППД через диэлектрическую прокладку, отличающийся тем, что, с целью повьш1енкя энергетического разрешения путем обеспечения оптимальных рабочих температур ШТД и головного каскада предусилителя, внешний цилиндр с торца, противоположного месту установки ППД, соединен непосредS ственно с хладопроводом криостата, свободный торец внутреннего цилиндра изолирован от внешнего цилиндра вакуумным зазором, а диэлектрическая прокладка выполнена из теплоизоляционного материала. СО со со 00