RU2136017C1 - Pyroelectric detector of pulse ionizing radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement of X-ray, gamma and corpuscular radiation. SUBSTANCE: proposed pyroelectric detector has capacitor 1 made from polarized pyroelectric with plates 2 mated with entire surface to plates of 4 of capacitors 3 fabricated from non-polarized pyroelectric with outer plates 4. Unmated plates 4 are electrically interconnected by means of conductor 5. Polarization vector of pyroelectric 8 filling up capacitor 1 is perpendicular to its plates 2. Electric leads-out 7 between which load resistor 6 is placed are linked to mated plates 2 of polarized capacitor and plates 4 of capacitors 3 on both sides. Size of sensitive element in direction of arrow 9 of radiation propagation is chosen much smaller, by one order at least, then length of free path of radiation in pyroelectric. EFFECT: increased sensitivity and simplified design of pyroelectric detector. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерению рентгеновского излучения, гамма-излучений, корпускулярного излучения, в частности к калориметрическим дозиметрам. The invention relates to the measurement of x-rays, gamma radiation, corpuscular radiation, in particular to calorimetric dosimeters.

Изобретение относится к метрологии ядерных излучений, дозиметрии и предназначено для аттестации радиационных полей, создаваемых импульсными ионизирующими излучениями (например, гамма-излучением или нейтронами). The invention relates to metrology of nuclear radiation, dosimetry, and is intended for the certification of radiation fields generated by pulsed ionizing radiation (for example, gamma radiation or neutrons).

Известны пироэлектрические детекторы импульсного ионизирующего излучения [1, 2], действие которых основано на принципе прямого преобразования энергии поглощенного в поляризованном пироэлектрике ионизирующего излучения в тепловую с последующим преобразованием ее в электрическую за счет пироэффекта. Pyroelectric detectors of pulsed ionizing radiation are known [1, 2], the operation of which is based on the principle of direct conversion of the energy of ionizing radiation absorbed in a polarized pyroelectric to thermal energy with its subsequent conversion into electrical energy due to the pyroelectric effect.

Известен пироэлектрический детектор [1], в котором уменьшение погрешности измерений плотности потока и флюенса излучения достигается особой формой выполнения чувствительного элемент, который представляет собой часть тела, которая образована вращением плоской фигуры вокруг неподвижной оси, лежащей в плоскости этой фигуры, не пересекающей ее контур. Причем указанная часть тела получена в результате рассечения тела плоскостью, которая параллельна оси вращения. В сечении тела плоскостью образованы две площадки, являющиеся электродами. Вектор поляризации в каждой точке пироэлектрика перпендикулярен сечению, образованному плоскостью, проходящему через эту точку и ось детектора. Known pyroelectric detector [1], in which the error in measuring the flux density and fluence of radiation is achieved by a special form of execution of the sensitive element, which is part of the body, which is formed by the rotation of a flat figure around a fixed axis lying in the plane of this figure, not crossing its contour. Moreover, this part of the body is obtained as a result of dissection of the body by a plane that is parallel to the axis of rotation. In the section of the body by a plane, two sites are formed, which are electrodes. The polarization vector at each point of the pyroelectric is perpendicular to the cross section formed by the plane passing through this point and the axis of the detector.

Недостатком изобретения [1] является относительно невысокая чувствительность пироэлектрического детектора, выражающаяся в его ограниченном применении для очень высокой интенсивности излучений (> 10⁹ Гр/с).The disadvantage of the invention [1] is the relatively low sensitivity of the pyroelectric detector, expressed in its limited use for very high radiation intensities (> 10 ⁹ Gy / s).

В пироэлектрическом детекторе [2] уменьшение погрешности измерения плотности потока и флюенса в неоднородных полях излучения достигается применением четырех идентичных конденсаторов, заполненных пироэлектриком. Обкладки первого и третьего конденсаторов, а также второго и четвертого сопряжены, к сопряженным обкладкам присоединены токовыводы. Несопряженные обкладки первого и второго, а также третьего и четвертого конденсаторов электрически объединены. Векторы поляризации пироэлектрика перпендикулярны обкладкам и направлены антипараллельно в первом и втором, первом и третьем, а также втором и четвертом конденсаторах. Размер чувствительного элемента в направлении распространения излучения много меньше длины свободного пробега излучения в пироэлектрике. Это позволяет полностью устранить во внешней цепи ток, индуцированный комптоновскими электронами, являющийся паразитным и снижающим точность измерений. In a pyroelectric detector [2], a decrease in the error in measuring the flux density and fluence in inhomogeneous radiation fields is achieved by using four identical capacitors filled with a pyroelectric. The plates of the first and third capacitors, as well as the second and fourth, are connected to the connected plates connected to the current leads. Non-conjugated plates of the first and second, as well as the third and fourth capacitors are electrically combined. Pyroelectric polarization vectors are perpendicular to the plates and are directed antiparallel in the first and second, first and third, as well as second and fourth capacitors. The size of the sensitive element in the direction of radiation propagation is much smaller than the mean free path of radiation in pyroelectric. This makes it possible to completely eliminate the current induced by Compton electrons in the external circuit, which is parasitic and reduces the measurement accuracy.

Недостатком изобретения [2] является сложность изготовления конструкции детектора, выражающаяся в необходимости применения четырех конденсаторов. The disadvantage of the invention [2] is the complexity of manufacturing the design of the detector, expressed in the need to use four capacitors.

Изобретение [2] выбрано прототипом. The invention [2] is selected as a prototype.

Технические задачи: расширение диапазона чувствительности пироэлектрического детектора в сторону ее увеличения; упрощение конструкции детектора. Technical tasks: expanding the sensitivity range of the pyroelectric detector in the direction of its increase; simplification of detector design.

Изобретение представляет собой пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения, содержащий токовыводы и чувствительный элемент, образованный из первого, второго и третьего плоских конденсаторов с токовыводами, размещенными на плоских противоположных поверхностях, чувствительный элемент заполнен пироэлектриком, размер чувствительного элемента в направлении распространения излучения выбран много меньшим длины свободного пробега излучения в пироэлектрике. The invention is a pyroelectric pulsed ionizing radiation detector containing current leads and a sensing element formed of first, second and third flat capacitors with current leads placed on flat opposite surfaces, the sensitive element is filled with a pyroelectric, the size of the sensitive element in the direction of radiation propagation is chosen much smaller than the length of the free radiation path in pyroelectric.

Отличия заключаются в том, что первый, второй и третий конденсаторы расположены последовательно и совмещены внутренними токовыводами, подключенными к нагрузке, наружные токовыводы закорочены между собой, первый и третий конденсаторы заполнены неполяризованным пироэлектриком, а второй конденсатор заполнен поляризованным пироэлектриком с вектором поляризации, перпендикулярным его обкладкам. The differences are that the first, second, and third capacitors are arranged in series and combined by internal current outputs connected to the load, the external current outputs are shorted together, the first and third capacitors are filled with an unpolarized pyroelectric, and the second capacitor is filled with a polarized pyroelectric with a polarization vector perpendicular to it .

Пироэлектрический детектор показан на чертеже, где 1 - второй конденсатор, заполненный поляризованным пироэлектриком; 2 - токовыводы, расположенные на плоских поверхностях конденсатора 1; 3 - первый и третий конденсаторы, заполненные неполяризованным пироэлектриком; 4 - токовыводы, расположенные на плоских поверхностях конденсаторов 3; 5 - электрический проводник, соединяющий наружные токовыводы конденсаторов 3; 6 - электрическая нагрузка; 7 - электрические выводы, подключенные к смежным 2 и 4 токовыводам; 8 - вектор поляризации поляризованного пироэлектрика; 9 - направление распространения излучения. A pyroelectric detector is shown in the drawing, where 1 is a second capacitor filled with a polarized pyroelectric; 2 - current outputs located on the flat surfaces of the capacitor 1; 3 - the first and third capacitors filled with unpolarized pyroelectric; 4 - current outputs located on the flat surfaces of the capacitors 3; 5 - an electrical conductor connecting the external current outputs of the capacitors 3; 6 - electrical load; 7 - electrical leads connected to adjacent 2 and 4 current leads; 8 - polarization vector of a polarized pyroelectric; 9 - direction of propagation of radiation.

Детектор содержит конденсатор 1, выполненный из поляризованного пироэлектрика с токовыводами 2, сопряженными по всей поверхности с токовыводами 4 конденсаторов 3, выполненных из неполяризованного пироэлектрика с наружными обкладками 4. Несопряженные обкладки 4 электрически объединены между собой проводником 5. Вектор поляризации пироэлектрика 8, заполняющий конденсатор 1, перпендикулярен его обкладкам 2. К сопряженным обкладкам 2 поляризованного конденсатора и обкладкам 4 неполяризованных конденсаторов 3 с обеих сторон подсоединены электрические выводы 7, между которыми включено сопротивление нагрузки 6. Размер чувствительного элемента в направлении стрелки 9 распространения излучения выбран много меньше (не менее, чем на порядок) длины свободного пробега излучения в пироэлектрике. The detector contains a capacitor 1 made of polarized pyroelectric with current leads 2, conjugated across the surface with current leads 4 of capacitors 3 made of non-polarized pyroelectric with outer plates 4. Non-conjugated plates 4 are electrically connected by a conductor 5. Polarization vector of pyroelectric 8, filling capacitor 1 , perpendicular to its plates 2. To the conjugated plates 2 of the polarized capacitor and the plates 4 of non-polarized capacitors 3 on both sides are connected 7-geometric terminals between which a load resistance is included 6. Size sensing element in the direction of arrow 9 of radiation propagation is selected much smaller (at least one order of magnitude) of the free path length of the radiation in the pyroelectric.

Пироэлектрический детектор работает следующим образом. При облучении чувствительного элемента импульсом проникающего излучения в направлении стрелки 9 в поляризованном пироэлектрике конденсатора 1 происходит нагрев, вследствие чего изменяется его поляризация и между выводами 7 появляется разность потенциалов. Измерив ток через сопротивление нагрузки 6 или заряд на противоположных сопряженных обкладках 2, 4, определяют, соответственно, плотность потока излучения (мощность дозы) или его флюенс. При облучении чувствительного элемента направленным проникающим излучением в направлении стрелки 9 в объеме пироэлектрика всех трех его составных частей возникают комптоновские электроны и, как следствие, образуются диполи электрон-положительно заряженный ион. Так как в чувствительном элементе конденсаторы 1 и 3 сопряжены по всей поверхности обкладок, соответственно, 2 и 4 и размер детектора в направлении стрелки 9 распространения излучения выбран много меньшим длины свободного пробега излучения в пироэлектрике, то условия облучения обоих неполяризованных конденсаторов 3 одинаковы, в том числе и в неоднородных полях излучения. Поэтому для каждого диполя, образовавшегося, например, в любом из конденсаторов 3, имеет место равный диполь, образовавшийся вблизи сопряженных с ним обкладок конденсатора 1. Вследствие этого на сопряженных обкладках 2 и 4 конденсаторов 1 и 3 выделяются равные по величине и противоположные по знаку электрические заряды. Вблизи наружных обкладок 4 обоих неполяризованных конденсаторов, электрически соединенных между собой, аналогично выделяются равные и противоположные по знаку электрические заряды. Это значит, что потенциалы на сопряженных обкладках 2, 4 и электрически соединенных обкладках 4 конденсаторов 3 не изменяются в процессе облучения и в результате разность потенциалов между выводами 7, обусловленная токами комптоновских электронов, равна нулю. Pyroelectric detector operates as follows. When a sensitive element is irradiated with a penetrating radiation pulse in the direction of arrow 9, heating occurs in the polarized pyroelectric of capacitor 1, as a result of which its polarization changes and a potential difference appears between terminals 7. By measuring the current through the load resistance 6 or the charge on the opposite mating plates 2, 4, respectively, determine the radiation flux density (dose rate) or its fluence. When a sensitive element is irradiated by directed penetrating radiation in the direction of arrow 9, Compton electrons arise in the volume of the pyroelectric of all three of its constituent parts and, as a result, dipoles are formed by an electron-positively charged ion. Since in the sensitive element capacitors 1 and 3 are conjugated over the entire surface of the plates, respectively, 2 and 4, and the detector size in the direction of the radiation propagation arrow 9 is chosen to be much smaller than the mean free path of radiation in pyroelectric, the irradiation conditions of both unpolarized capacitors 3 are the same, including number and in inhomogeneous radiation fields. Therefore, for each dipole formed, for example, in any of the capacitors 3, there is an equal dipole formed near the conjugated plates of the capacitor 1. As a result, equal in magnitude and opposite in sign electrical signals are distinguished on the conjugated plates 2 and 4 of the capacitors 1 and 3 charges. Near the outer plates 4 of both non-polarized capacitors electrically connected to each other, equal and opposite in sign electric charges are similarly distinguished. This means that the potentials on the conjugated plates 2, 4 and the electrically connected plates 4 of the capacitors 3 do not change during the irradiation process and, as a result, the potential difference between terminals 7, due to the currents of Compton electrons, is zero.

Таким образом, вклад в выходной сигнал тока, индуцированного комптоновскими электронами, устраняется и, следовательно, уменьшается погрешность измерения плотности тока и флюенса проникающего излучения. Thus, the contribution to the output signal of the current induced by Compton electrons is eliminated and, therefore, the error in measuring the current density and penetrating radiation fluence is reduced.

По сравнению, например, с известным аналогом [2], выполняя те же функции и обладая тем же свойством устранения вклада радиационных сторонних токов в рабочий сигнал, обусловленный лишь генерацией в пироэлектрике, предлагаемый детектор конструктивно проще за счет того, что он выполнен из трех, а не из четырех конденсаторов, как в [2], и, следовательно, более дешев в изготовлении. Compared, for example, with the well-known analogue [2], performing the same functions and possessing the same property of eliminating the contribution of external radiation currents to the working signal, caused only by generation in pyroelectric, the proposed detector is structurally simpler due to the fact that it is made of three, and not from four capacitors, as in [2], and, therefore, cheaper to manufacture.

В силу своей конструкции известный детектор [1] по сравнению с плоским предлагаемым вариантом обладает меньшей кулон-грейевой чувствительностью, отнесенной к единице объема (массы) использованного в нем пироэлектрика, поэтому его применение ограничивается использованием в достаточно высокоинтенсивных полях излучения. Детектор, выполненный по схеме на фигуре, таким образом, дополняет ранее известные, поскольку позволяет расширить диапазон регистрируемых параметров излучения в сторону измерения менее интенсивных потоков. By virtue of its design, the well-known detector [1], in comparison with the flat proposed option, has a lower coulomb-gray sensitivity per unit volume (mass) of the pyroelectric used in it; therefore, its use is limited to use in sufficiently high-intensity radiation fields. The detector, made according to the scheme in the figure, thus complements the previously known, because it allows you to expand the range of recorded radiation parameters in the direction of measuring less intense flows.

Предлагаемый детектор технологичен, прост в изготовлении и обслуживании, не содержит дорогостоящих компонентов, обладает высокой радиационной стойкостью (> 10 ¹⁸ ТГр > 10¹⁶ нейтр/см²).The proposed detector is technologically advanced, easy to manufacture and maintain, does not contain expensive components, and has high radiation resistance (> 10 ¹⁸ TGy> 10 ¹⁶ neutrons / cm ² ).

Список цитируемых источников
1. В. А.Борисенок, М.В. Коротченко, Е.З. Новицкий и А.В. Руднев. Пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения. А.с. N 1503533 от 19.10.87.List of cited sources
1. V.A. Borisenko, M.V. Korotchenko, E.Z. Novitsky and A.V. Rudnev. Pyroelectric pulsed ionizing radiation detector. A.S. N 1503533 from 10.19.87.

2. В. А. Борисенок, Н. И. Завада, Е.З. Новицкий и В.Г. Симаков Пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения. А.с. N 1579238 от 11.11.88. 2. V.A. Borisenok, N.I. Zavada, E.Z. Novitsky and V.G. Simakov Pyroelectric detector of pulsed ionizing radiation. A.S. N 1579238 dated 11.11.88.

Claims (1)

Пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения, содержащий обкладки конденсатора и чувствительный элемент, образованный из первого, второго и третьего плоских конденсаторов с обкладками конденсатора, размещенными на плоских противоположных поверхностях, чувствительный элемент заполнен пироэлектриком, размер чувствительного элемента в направлении распространения излучения выбран много меньшим длины пробега излучения в пироэлектрике, наружные несопряженные обкладки конденсаторов электрически объединены между собой, отличающийся тем, что первый, второй и третий конденсаторы расположены последовательно, к сопряженным обкладкам конденсаторов присоединены токовыводы, между которыми включено сопротивление нагрузки, первый и третий конденсаторы заполнены неполяризованным пироэлектриком, а второй конденсатор заполнен поляризованным пироэлектриком. A pyroelectric pulsed ionizing radiation detector comprising capacitor plates and a sensing element formed of first, second and third flat capacitors with capacitor plates placed on opposing flat surfaces, the sensitive element is filled with a pyroelectric, the size of the sensitive element in the direction of radiation propagation is chosen to be much smaller than the mean free path in pyroelectric, external non-conjugated capacitor plates are electrically connected between battle, characterized in that the first, second and third capacitors are arranged in series, current leads are connected to the conjugated plates of the capacitors, between which the load resistance is connected, the first and third capacitors are filled with an unpolarized pyroelectric, and the second capacitor is filled with a polarized pyroelectric.