RU2145096C1 - Gas coordinate electroluminescent detector - Google Patents

Abstract

FIELD: spectrometry of ionizing radiation, medical diagnostics. SUBSTANCE: proposed detector can be used as visualization aid of X-rays, for instance, for detection of flaws during inspection of quality of materials and articles, for checking of baggage for weapons and narcotics to generate image of examined objects. Gas coordinate electroluminescent detector includes photodetector, case with exit window transparent to spectrum of electric luminescence. Case houses anode, cathode and drift electrode. In this case at least one thin extended anode and edges of cathodes adjoining it and positioned on its both sides are located in same plane or on flat surface of second order. Distance between adjoining edges of anode and cathode and lateral dimension of anode are chosen by dependence established experimentally. EFFECT: simultaneous improvement of coordinate and energy resolution and response of detector and its enhanced sensitivity. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ядерной физики, в частности к газоразрядным детекторам ионизирующего излучения, обеспечивающим регистрацию энергии и координат ионизирующего излучения. The invention relates to the field of nuclear physics, in particular to gas-discharge detectors of ionizing radiation, providing registration of energy and coordinates of ionizing radiation.

Изобретение может быть использовано при исследовании ионизирующего излучения для спектрометрии, в области медицинской диагностики как устройство визуализации, например, рентгеновского излучения или в области дефектоскопии при контроле качества материалов и изделий, при контроле багажа на наличие оружия и наркотиков для получения изображения контролируемых объектов. The invention can be used in the study of ionizing radiation for spectrometry, in the field of medical diagnostics as a visualization device, for example, X-ray radiation or in the field of flaw detection, for controlling the quality of materials and products, while checking luggage for weapons and drugs to obtain images of controlled objects.

Уровень техники
Развитие методов регистрации ядерных излучений привело к созданию газовых электролюминесцентных детекторов, в которых в качестве газовых сцинтилляторов обычно используют чистые инертные газы или их смеси. Эти детекторы отличаются от сцинтилляционных счетчиков тем, что в них осуществляют усиление светового выхода газовых сцинтилляторов с помощью электрического поля, созданного в объеме газовой камеры. Усиление выхода света происходит за счет электролюминесценции сцинтиллятора. Свободные электроны, образованные ионизирующей частицей в рабочем объеме счетчика, дрейфуют в электрическом поле и могут неупруго взаимодействовать с атомами газа. Частота неупругих столкновений определяется величиной напряженности электрического поля, видом и давлением газа, примесями в нем. Переход возбужденных атомов в нормальное состояние сопровождается испусканием света, и появляется возможность регистрации ионизирующего излучения по инициируемому им высвечиванию рабочей среды детектора.State of the art
The development of methods for detecting nuclear radiation has led to the creation of gas electroluminescent detectors, in which pure inert gases or mixtures thereof are usually used as gas scintillators. These detectors differ from scintillation counters in that they amplify the light output of gas scintillators using an electric field created in the volume of the gas chamber. The amplification of light output occurs due to the electroluminescence of the scintillator. Free electrons formed by an ionizing particle in the working volume of the counter drift in an electric field and can inelastically interact with gas atoms. The frequency of inelastic collisions is determined by the magnitude of the electric field, the type and pressure of the gas, and impurities in it. The transition of excited atoms to a normal state is accompanied by the emission of light, and it becomes possible to register ionizing radiation by the radiation of the detector’s working medium initiated by it.

Известен газоразрядный электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения (авт. св. N 533164, 07.03.82, H 01 J 47/00), состоящий из газонаполненного корпуса с входным и выходным окнами, параллельно которым расположены два электрода в виде сеток, прозрачных для электронов и света. В оптическом контакте с выходным окном находится фотоприемник. Недостатками данного детектора являются плохое координатное разрешение и большие рабочие потенциалы электродов. Known gas-discharge electroluminescent ionizing radiation detector (ed. St. N 533164, 07.03.82, H 01 J 47/00), consisting of a gas-filled housing with input and output windows, parallel to which there are two electrodes in the form of grids, transparent to electrons and light . The photodetector is in optical contact with the output window. The disadvantages of this detector are poor coordinate resolution and high working potentials of the electrodes.

Известна оптическая визуализирующая система (WO 97/16747, 09.05.97, G 01 T 1/185), используемая для визуализации ионизирующего излучения. Система включает корпус, внутри которого размещена подложка с нанесенными на нее параллельно друг другу продольными углублениями, на дне которых расположены аноды, и катоды, нанесенные на поверхность подложки, а дрейфовый электрод расположен непосредственно над подложкой. Пространство внутри корпуса заполнено газом. К тыльной стороне подложки прилегает фотоприемник. Known optical imaging system (WO 97/16747, 05/09/97, G 01 T 1/185), used to visualize ionizing radiation. The system includes a housing, inside which a substrate is placed with longitudinal recesses deposited on it parallel to each other, at the bottom of which anodes are located, and cathodes deposited on the surface of the substrate, and the drift electrode is located directly above the substrate. The space inside the housing is filled with gas. A photodetector is adjacent to the back of the substrate.

Недостатками известного устройства являются сложность изготовления продольных углублений и нанесения на их дно анодов, а также невысокая координатная точность из-за рассеяния образующихся фотонов в подложке. Кроме этого, указанное устройство требует наличия прокачной газовой системы, что существенно усложняет эту визуализирующую систему. The disadvantages of the known device are the difficulty of manufacturing longitudinal recesses and applying anodes to their bottom, as well as low coordinate accuracy due to scattering of the resulting photons in the substrate. In addition, this device requires a pumping gas system, which greatly complicates this imaging system.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по назначению и совокупности признаков является газовый координатный электролюминесцентный детектор (Монич В. А. Газовые детекторы с регистрацией свечения разряда. - ПТЭ, 1980 г. , N 5 с.7-19), содержащий фотоприемник и размещенные в корпусе, имеющем выходное окно, прозрачное для спектра электролюминесценции, анод, катод и дрейфовый электрод. Корпус детектора заполнен ксеноном или смесью газов. The closest to the invention according to the purpose and combination of features is a gas coordinate electroluminescent detector (Monich V. A. Gas detectors with registration of the glow of the discharge. - PTE, 1980, N 5 S. 7-19) containing a photodetector and placed in the housing having an exit window transparent to the electroluminescence spectrum, anode, cathode, and drift electrode. The detector body is filled with xenon or a mixture of gases.

Анод и катод, выполненные в виде проволочной сетки, пропускают на фотоприемник до 95% света, возникающего в результате электролюминесценции. Указанный детектор обладает недостаточным координатным разрешением. The anode and cathode, made in the form of a wire mesh, transmit up to 95% of the light resulting from electroluminescence to the photodetector. The specified detector has insufficient coordinate resolution.

Повышение координатного разрешения возможно при локализации области свечения вблизи поверхности выходного окна детектора. Координатное и энергетическое разрешение детектора и его отклик определяются, в частности, размером области первичной ионизации, образуемой регистрируемым ионизирующим излучением, диффузией электронов ионизации, размерами анода и катода, расстоянием между ними, размерами и удаленностью от фотоприемника области свечения, величиной коэффициента газового усиления. An increase in the coordinate resolution is possible with the localization of the glow region near the surface of the detector output window. The coordinate and energy resolution of the detector and its response are determined, in particular, by the size of the primary ionization region formed by the detected ionizing radiation, the diffusion of ionization electrons, the dimensions of the anode and cathode, the distance between them, the size and distance from the photodetector of the luminescence region, and the value of the gas gain.

Сущность изобретения
Задачами, на решение которых направлено настоящее изобретение, являются создание газового координатного электролюминесцентного детектора, обеспечивающего визуализацию и регистрацию ионизирующего излучения в широком диапазоне энергий и интенсивности ионизирующего излучения с высоким координатным и энергетическим разрешением.SUMMARY OF THE INVENTION
The problems to which the present invention is directed, are to create a gas coordinate electroluminescent detector that provides visualization and registration of ionizing radiation in a wide range of energies and intensities of ionizing radiation with high coordinate and energy resolution.

В результате решения данных задач реализуются новые технические результаты, заключающиеся в одновременном улучшении координатного и энергетического разрешения детектора и его отклика, повышении его чувствительности, увеличении длительности работы детектора без ухудшения его параметров за счет выбора оптимального пространственного расположения электродов и их размеров. As a result of solving these problems, new technical results are realized, which consist in simultaneously improving the coordinate and energy resolution of the detector and its response, increasing its sensitivity, and increasing the duration of the detector without deteriorating its parameters by choosing the optimal spatial arrangement of the electrodes and their sizes.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в газовом координатном электролюминесцентном детекторе, содержащем фотоприемник и размещенные в корпусе, имеющем выходное окно, прозрачное для спектра электролюминесценции, анод, катод и дрейфовый электрод, по крайней мере, один тонкий, протяженный анод и смежные ему края расположенных по обе стороны от него катодов лежат в одной плоскости или на гладкой поверхности второго порядка, при этом расстояние между смежными краями анода и катода и поперечный размер анода выбираются из условия:
7<D/А<70,
где D - расстояние между смежными краями анода и катода; А - поперечный размер анода в пределах от 2 мкм до 30 мкм; а напряжение, подаваемое на электроды, выбирают так, чтобы коэффициент газового усиления был не более 100.The indicated technical results are achieved by the fact that in the gas coordinate electroluminescent detector containing a photodetector and placed in a housing having an output window transparent to the electroluminescence spectrum, the anode, cathode and drift electrode, at least one thin, extended anode and adjacent edges of it located on both sides of it, the cathodes lie on the same plane or on a smooth surface of the second order, while the distance between adjacent edges of the anode and cathode and the transverse size of the anode are selected from Wii:
7 <D / A <70,
where D is the distance between adjacent edges of the anode and cathode; And - the transverse size of the anode in the range from 2 microns to 30 microns; and the voltage supplied to the electrodes is selected so that the gas gain is not more than 100.

Отличительные особенности описываемого устройства заключаются в том, что по крайней мере, один тонкий, протяженный анод и смежные ему края расположенных по обе стороны от него катодов лежат в одной плоскости или на гладкой поверхности второго порядка, при этом расстояние между смежными краями анода и катода и поперечный размер анода выбираются из условия:
7<D/А<70,
где D - расстояние между смежными краями анода и катода; А - поперечный размер анода в пределах от 2 мкм до 30 мкм; а напряжение, подаваемое на электроды, выбирают так, чтобы коэффициент газового усиления был не более 100.Distinctive features of the described device are that at least one thin, extended anode and adjacent edges of the cathodes located on both sides of it lie on the same plane or on a smooth surface of the second order, while the distance between the adjacent edges of the anode and cathode and the transverse size of the anode is selected from the condition:
7 <D / A <70,
where D is the distance between adjacent edges of the anode and cathode; And - the transverse size of the anode in the range from 2 microns to 30 microns; and the voltage supplied to the electrodes is selected so that the gas gain is not more than 100.

Световыход электролюминесценции, размеры и локализация области свечения, а следовательно, отклик и координатное разрешение детектора зависят, помимо давления и химического состава газа, в основном от величины напряженности электрического поля. Поэтому форма, расположение в пространстве и потенциалы анода, катода и дрейфового электрода подбираются таким образом, чтобы практически во всем объеме детектора электрическое поле было квазиоднородным. При этом его напряженность обеспечивает дрейф электронов ионизации к поверхности анодного стрипа и не приводит к эффекту электролюминесценции в объеме детектора, а только в ограниченной области размером в несколько десятков микрон около анода напряженность электрического поля увеличивается и становится достаточной для образования эффекта электролюминесценции газа. Таким образом, основная доля света электролюминесценции образуется в небольшой области, расположенной вблизи поверхности диэлектрической подложки, являющейся одновременно выходным окном. Этим достигается улучшение координатного и энергетического разрешения детектора. The light yield of electroluminescence, the size and localization of the luminescence region, and therefore the response and coordinate resolution of the detector, depend, in addition to the pressure and chemical composition of the gas, mainly on the magnitude of the electric field strength. Therefore, the shape, spatial arrangement, and potentials of the anode, cathode, and drift electrode are selected so that the electric field is quasihomogeneous in almost the entire volume of the detector. Moreover, its intensity ensures the drift of ionization electrons to the surface of the anode strip and does not lead to the effect of electroluminescence in the volume of the detector, but only in a limited region of several tens of microns in size near the anode, the electric field increases and becomes sufficient to form the effect of gas electroluminescence. Thus, the bulk of the electroluminescence light is formed in a small area located near the surface of the dielectric substrate, which is also the exit window. This improves the coordinate and energy resolution of the detector.

Математическое моделирование детектора показывает, что при условии D/А<7 размер области, где происходит электролюминесценция, начинает быстро уменьшаться. Это приводит к сокращению пути дрейфа электронов ионизации в области, где происходит электролюминесценция, и, следовательно, к уменьшению количества света электролюминесценции. Кроме этого, так как часть света экранируется анодом, соотношение между поперечными размерами анода и размером области, где происходит электролюминесценция, становится неоптимальным. При D/А>70 появляется заметная зависимость отклика детектора от места взаимодействия кванта ионизирующего излучения с газом детектора из-за большой разницы в пути дрейфа электронов ионизации. Координатная точность при этом существенно ухудшается. Mathematical modeling of the detector shows that under the condition D / A <7, the size of the region where electroluminescence occurs begins to decrease rapidly. This leads to a reduction in the drift path of ionization electrons in the region where electroluminescence occurs, and, consequently, to a decrease in the amount of electroluminescence light. In addition, since part of the light is shielded by the anode, the ratio between the transverse dimensions of the anode and the size of the region where electroluminescence takes place becomes non-optimal. At D / A> 70, a noticeable dependence of the detector response on the interaction site of the ionizing radiation quantum with the detector gas appears due to the large difference in the drift path of the ionization electrons. The coordinate accuracy is significantly degraded.

Указанное условие справедливо только при определенном размере анода. Поперечный размер анода должен находиться в пределах от 2 до 30 мкм. Анод с поперечным размером менее 2 мкм не обеспечивает необходимого соотношения между размерами области электролюминесценции и напряженностью поля в ней. Напряженность поля увеличивается, а размеры области уменьшаются, при этом коэффициент газового усиления становится более 100, а световыход становится недостаточным для регистрации. Анод с поперечным размером более 30 мкм заметно экранирует область электролюминесценции, что ухудшает отклик детектора и координатное разрешение. The specified condition is valid only for a certain size of the anode. The transverse size of the anode should be in the range from 2 to 30 microns. An anode with a transverse size of less than 2 μm does not provide the necessary relationship between the size of the electroluminescence region and the field strength in it. The field strength increases and the size of the region decreases, while the gas gain becomes more than 100, and the light output becomes insufficient for registration. An anode with a transverse size of more than 30 μm noticeably shields the electroluminescence region, which affects the response of the detector and the coordinate resolution.

В неоднородном электрическом поле при увеличении напряженности электрического поля возникает эффект газового усиления заряда, что приводит к ухудшению энергетического разрешения и образованию большого количества ионизированных атомов газа. Большая степень ионизации газа, как правило, приводит к его быстрой деградации и, как следствие, к необходимости частой замены газа в рабочем объеме. In an inhomogeneous electric field, with an increase in the electric field strength, the effect of gas charge amplification arises, which leads to a deterioration in the energy resolution and the formation of a large number of ionized gas atoms. A large degree of ionization of the gas, as a rule, leads to its rapid degradation and, as a consequence, to the need for frequent gas replacement in the working volume.

В представляемом устройстве потенциалы анодов, катодов и дрейфового электрода подбираются таким образом, чтобы коэффициент газового усиления был минимальным и не превышал 100. Таким образом, можно улучшить энергетическое разрешение и значительно увеличить время работы устройства с высокими характеристиками без замены газа в рабочем объеме. In the present device, the potentials of the anodes, cathodes and the drift electrode are selected so that the gas gain is minimal and does not exceed 100. Thus, it is possible to improve the energy resolution and significantly increase the operating time of the device with high characteristics without replacing the gas in the working volume.

Целесообразно тонкие протяженные аноды и катоды чередовать на подложке с периодичностью (Т) 0.1-3 мм (Т - расстояние между центрами одноименных электродов). It is advisable to alternate thin extended anodes and cathodes on a substrate with a periodicity (T) of 0.1-3 mm (T is the distance between the centers of the same electrodes).

Целесообразно, чтобы выходное окно корпуса одновременно являлось входным окном фотоприемника. It is advisable that the output window of the housing simultaneously be the input window of the photodetector.

В качестве фотоприемника могут быть использованы, например, фоточувствительные пленки, матрицы ПЗС, фотодиодные матрицы, фотоэлектронные умножители, усилители изображения или любые другие фоточувствительные элементы. As the photodetector, for example, photosensitive films, CCD arrays, photodiode arrays, photoelectronic multipliers, image amplifiers or any other photosensitive elements can be used.

Газоразрядный детектор может иметь автономный замкнутый газовый объем, а катоды могут быть совмещены с дрейфовым электродом, поперечное сечение которого постоянно вдоль всей длины анода и образует кривую второго порядка, либо многоугольник, либо их комбинацию. The gas-discharge detector can have an autonomous closed gas volume, and the cathodes can be combined with a drift electrode, the cross section of which is constant along the entire length of the anode and forms a second-order curve, either a polygon, or a combination of them.

Целесообразно, чтобы корпус детектора был дополнительно снабжен входным окном для ионизирующего излучения, при этом дрейфовый электрод может одновременно являться входным окном для ионизирующего излучения. It is advisable that the detector housing be additionally provided with an input window for ionizing radiation, while the drift electrode can simultaneously be an input window for ionizing radiation.

Перечень фигур чертежей
На фиг.1 показано сечение газового координатного электролюминесцентного детектора, на фиг. 2 приведена принципиальная схема газового координатного электролюминесцентного детектора с периодической структурой. На фиг.3 приведена схема расположения анодов, совмещенных с дрейфовым электродом.List of drawings
1 shows a cross section of a gas coordinate electroluminescent detector, FIG. 2 is a schematic diagram of a gas coordinate electroluminescent detector with a periodic structure. Figure 3 shows the location of the anodes combined with the drift electrode.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Газовый координатный электролюминесцентный детектор (1) (фиг. 1) состоит из детектора (2) и фотоприемника (14). Детектор (2) состоит из диэлектрической подложки (3), прозрачной для ультрафиолетового излучения, на которой расположены по крайней мере один тонкий протяженный анод (4) и смежные ему края катодов (5) на некотором расстоянии друг от друга. Для формирования у поверхности (4а) анода неоднородного электрического поля поперечный размер катода (5) должен быть больше, чем поперечный размер анода (4). Дрейфовый электрод (6) расположен над диэлектрической подложкой (3). Газовый объем (7) - это пространство между дрейфовым электродом (6) и диэлектрической подложкой (3), заполненное газом (7а). Ионизирующее излучение (8) от источника (9), взаимодействуя с газом (7а), образует электрон-ионные пары (10). Потенциал дрейфового электрода (6) подбирается таким образом, чтобы электроны (11) дрейфовали в направлении анода (4), а ионы (11а) в направлении дрейфового электрода (6). Дрейфуя в электрическом поле, электроны (11) вызывают электролюминесценцию газа (7а).Information confirming the possibility of carrying out the invention
The gas coordinate electroluminescent detector (1) (Fig. 1) consists of a detector (2) and a photodetector (14). The detector (2) consists of a dielectric substrate (3), transparent to ultraviolet radiation, on which at least one thin extended anode (4) and adjacent edges of the cathodes (5) are located at some distance from each other. For the formation of an inhomogeneous electric field near the surface of the anode (4a), the transverse dimension of the cathode (5) should be larger than the transverse dimension of the anode (4). The drift electrode (6) is located above the dielectric substrate (3). The gas volume (7) is the space between the drift electrode (6) and the dielectric substrate (3) filled with gas (7a). Ionizing radiation (8) from the source (9), interacting with the gas (7a), forms electron-ion pairs (10). The potential of the drift electrode (6) is selected so that the electrons (11) drift in the direction of the anode (4), and the ions (11a) in the direction of the drift electrode (6). Drifting in an electric field, electrons (11) cause the electroluminescence of gas (7a).

В неоднородном электрическом поле области (12) при увеличении напряженности электрического поля возникает эффект газового усиления заряда, что приводит к образованию большого количества ионизированных атомов газа. Большая степень ионизации газа (7а), как правило, приводит к его быстрой деградации и, как следствие, к необходимости частой замены газа (7а) в рабочем объеме. В представляемом устройстве потенциалы анода (4) и катода (5) подбираются таким образом, чтобы коэффициент газового усиления был минимальным и не превышал 100. Таким образом, возможно значительно увеличить время работы устройства (1) без замены газа (7а) в рабочем объеме. In an inhomogeneous electric field of region (12), with increasing electric field strength, the effect of gas charge amplification arises, which leads to the formation of a large number of ionized gas atoms. A large degree of ionization of gas (7a), as a rule, leads to its rapid degradation and, as a consequence, to the need for frequent replacement of gas (7a) in the working volume. In the present device, the potentials of the anode (4) and cathode (5) are selected so that the gas gain is minimal and does not exceed 100. Thus, it is possible to significantly increase the operating time of the device (1) without replacing the gas (7a) in the working volume.

Газовый объем (7) может быть заполнен любым газом, прозрачным для фотонов электролюминесценции. Обычно это благородные газы или их смеси или благородные газы с добавками других газов. Предпочтительнее Xe как чистый, так и с различными добавками. The gas volume (7) can be filled with any gas transparent to electroluminescence photons. Usually these are noble gases or mixtures thereof or noble gases with the addition of other gases. Xe is preferred, both pure and with various additives.

Газ в газовом объеме (7) может находиться при различном давлении. Выбор давления зависит от задачи, которую собираются решать с помощью устройства (1). В любом случае газовый объем (7) должен быть герметичным, что обеспечивается корпусом детектора, имеющим боковые стенки (17), расположенные по всему периметру газового объема (7), и верхнюю стенку (18), расположенную над дрейфовым электродом (6). Gas in the gas volume (7) can be at different pressures. The choice of pressure depends on the task that they are going to solve using the device (1). In any case, the gas volume (7) must be airtight, which is ensured by the detector body having side walls (17) located around the entire perimeter of the gas volume (7) and an upper wall (18) located above the drift electrode (6).

Фотоны (13) электролюминесценции, пройдя через прозрачную для них диэлектрическую подложку (3), регистрируются фотоприемником (14). Диэлектрическая подложка (3) должна быть достаточно тонкой и обладать большим показателем преломления для того, чтобы изображение области (12) на фотоприемнике (14) минимально искажалось. Photons (13) of electroluminescence, passing through a dielectric substrate (3) transparent to them, are detected by a photodetector (14). The dielectric substrate (3) must be thin enough and have a large refractive index so that the image of the region (12) on the photodetector (14) minimally distorted.

Одним из вариантов газоразрядного электролюминесцентного детектора может быть электродная структура, представляющая собой чередование протяженных анодов и катодов (фиг.2), расположенных с периодичностью (Т) 0.1-3.0 мм на подложке, которая может быть изготовлена с использованием известных технологий изготовления полупроводниковых подложек. Диэлектрическая подложка (3) может быть изготовлена из любых известных изоляционных материалов, пригодных для выбранной технологии изготовления электродной структуры. Например, она может изготавливаться из сапфира, кварца, фтористого магния, других известных стекол, керамик, полимеров и т.д. На верхней стороне диэлектрической подложки (3) в виде длинных узких полос (стрипов) расположены анод (4) и катод (5), выполненные из материала с хорошей электрической проводимостью. Анод (4) имеет характерный поперечный размер (А) 2-30 мкм. Поперечный размер катода (5) в несколько раз больше. Анод (4) и катод (5) расположены на некотором расстоянии (Д) друг от друга. Это расстояние зависит от размеров анода (4) и определяется из условия 7<D/А<70. One of the options for a gas-discharge electroluminescent detector can be an electrode structure, which is an alternation of extended anodes and cathodes (Fig. 2) located with a periodicity (T) of 0.1-3.0 mm on a substrate, which can be manufactured using known technologies for the manufacture of semiconductor substrates. The dielectric substrate (3) can be made of any known insulating materials suitable for the selected technology of manufacturing the electrode structure. For example, it can be made from sapphire, quartz, magnesium fluoride, other known glasses, ceramics, polymers, etc. On the upper side of the dielectric substrate (3) in the form of long narrow strips (strips) are anode (4) and cathode (5) made of a material with good electrical conductivity. The anode (4) has a characteristic transverse size (A) of 2-30 μm. The transverse size of the cathode (5) is several times larger. Anode (4) and cathode (5) are located at a certain distance (D) from each other. This distance depends on the dimensions of the anode (4) and is determined from the condition 7 <D / A <70.

Размер и форма электродной структуры на одной подложке могут быть любыми и меняться в зависимости от области использования газового координатного детектора, а ее площадь варьируется от 1 мм² до 400 см².The size and shape of the electrode structure on one substrate can be any and vary depending on the area of use of the gas coordinate detector, and its area varies from 1 mm ² to 400 cm ² .

Электродные структуры большей площади могут набираться из отдельных элементов. Electrode structures of a larger area can be composed of individual elements.

Поверхность подложки (3) между анодом (4) и катодом (5) должна обладать необходимым поверхностным сопротивлением, чтобы обеспечить стекание электрического заряда, накапливающегося на поверхности при больших потоках ионизирующего излучения (8), например, 10¹¹-10¹⁷ Ом/квадрат. Требуемое поверхностное сопротивление достигается либо выбором материала подложки (3), либо изменением поверхностного сопротивления используемыми в полупроводниковой промышленности технологиями. Например, это может быть имплантация в поверхностный слой различных элементов или нанесение тонких проводящих покрытий.The surface of the substrate (3) between the anode (4) and the cathode (5) must have the necessary surface resistance to ensure that the electric charge accumulates on the surface with large flows of ionizing radiation (8), for example, 10 ¹¹ -10 ¹⁷ Ohm / square. The required surface resistance is achieved either by choosing the substrate material (3), or by changing the surface resistance used by technologies in the semiconductor industry. For example, it can be implantation of various elements into the surface layer or the application of thin conductive coatings.

Характерный размер дрейфового зазора (16), устанавливаемого между дрейфовым электродом (6) и электродной структурой, составляет 1-10 мм. The characteristic size of the drift gap (16) installed between the drift electrode (6) and the electrode structure is 1-10 mm.

Дрейфовый электрод (6) изготавливается из проводящего материала, например бериллия или углерода. Дрейфовый электрод (6) может быть как сплошным, так и сетчатым. The drift electrode (6) is made of a conductive material, such as beryllium or carbon. The drift electrode (6) can be either solid or mesh.

В отдельных случаях (фиг.3) дрейфовый электрод (6) может быть совмещен с катодами и использован в качестве верхней стенки (18) детектора. При этом поперечное сечение дрейфового электрода, постоянное вдоль всей длины анода, может иметь форму, например, окружности, эллипса, треугольника, четырехугольника, пятиугольника, шестиугольника или любой их комбинации. In some cases (Fig. 3), the drift electrode (6) can be combined with the cathodes and used as the upper wall (18) of the detector. Moreover, the cross section of the drift electrode, constant along the entire length of the anode, may take the form of, for example, a circle, ellipse, triangle, quadrangle, pentagon, hexagon, or any combination thereof.

Предлагаемый газовый координатный электролюминесцентный детектор может регистрировать любое ионизирующее излучение. Например, альфа-частицы, гамма-кванты, рентгеновское излучение, фотонное излучение, нейтронное излучение и заряженные частицы, многообразие которых трудно перечислить. В зависимости от направления потока ионизирующего излучения детектор может регистрировать как одну, так и две координаты потока ионизирующего излучения (8). Если поток ионизирующего излучения (8) направлен параллельно плоскости электродной структуры, то детектор регистрирует одну координату, если поток ионизирующего излучения (8) направлен перпендикулярно плоскости электродной структуры, то две координаты. Очевидно, что в первом случае боковая стенка (17) или ее часть должна быть изготовлена из материала, максимально прозрачного для излучения источника (9), а во втором случае из такого материала должна быть изготовлена верхняя стенка (18) или ее часть. Таким материалом может быть, например, бериллий или другие легкие металлы, углепластик, или различные полимеры. The proposed gas coordinate electroluminescent detector can detect any ionizing radiation. For example, alpha particles, gamma rays, x-rays, photon radiation, neutron radiation and charged particles, the variety of which is difficult to enumerate. Depending on the direction of the flow of ionizing radiation, the detector can record both one and two coordinates of the flow of ionizing radiation (8). If the flow of ionizing radiation (8) is directed parallel to the plane of the electrode structure, then the detector registers one coordinate, if the flow of ionizing radiation (8) is directed perpendicular to the plane of the electrode structure, then two coordinates. Obviously, in the first case, the side wall (17) or part of it should be made of a material that is as transparent as possible for the radiation of the source (9), and in the second case, the upper wall (18) or part of it should be made of such material. Such material may be, for example, beryllium or other light metals, carbon fiber, or various polymers.

Для получения изображения ионизирующего излучения в газоразрядном электролюминесцентном детекторе (2) с помощью дрейфового электрода (6), анода (4) и катода (5) формируется электрическое поле, имеющее две основные зоны. Первая зона - зона дрейфа начинается у дрейфового электрода (6) и кончается вблизи поверхности электродной структуры. Электрическое поле внутри этой области практически однородно и обеспечивает дрейф электронов (11) и ионов (11а) к соответствующим электродам. Вторая зона - зона люминесценции расположена вблизи поверхности электродной структуры. Это поле сформировано таким образом, что в области (12) напряженность электрического поля максимальна. To obtain an image of ionizing radiation in a gas-discharge electroluminescent detector (2) with the help of a drift electrode (6), anode (4) and cathode (5), an electric field is formed that has two main zones. The first zone - the drift zone begins at the drift electrode (6) and ends near the surface of the electrode structure. The electric field inside this region is almost uniform and ensures the drift of electrons (11) and ions (11a) to the corresponding electrodes. The second zone - the luminescence zone is located near the surface of the electrode structure. This field is formed in such a way that in the region (12) the electric field strength is maximum.

Подача на дрейфовый электрод (6), анод (4) и катод (5) потенциалов, необходимых для формирования нужной конфигурации электрического поля, осуществляется любым известным способом. Например, источник напряжения (В1) задает потенциал на дрейфовом электроде (6), источник напряжения (В2) задает потенциал на катоде (5), источник напряжения (В3) задает потенциал на аноде (4). Величины потенциалов выбирают таким образом, чтобы величина коэффициента газового усиления была минимальна и не превышала 100. The supply to the drift electrode (6), anode (4) and cathode (5) of the potentials necessary for forming the desired configuration of the electric field is carried out in any known manner. For example, the voltage source (B1) sets the potential at the drift electrode (6), the voltage source (B2) sets the potential at the cathode (5), the voltage source (B3) sets the potential at the anode (4). The potential values are chosen so that the value of the gas amplification coefficient is minimal and does not exceed 100.

Использование указанных выше параметров детектора позволяет одновременно достигнуть разрешения по энергии (E, кэВ) 0.087/E^1/2, характерного для электролюминесцентных детекторов, и координатного разрешения до 0.1 мкм, характерного для детекторов с газовым усилением заряда.Using the above detector parameters, one can simultaneously achieve an energy resolution (E, keV) of 0.087 / E ^1/2 , which is typical for electroluminescent detectors, and a coordinate resolution of up to 0.1 μm, which is typical for detectors with gas charge amplification.

Пример газового координатного электролюминесцентного детектора
Используя принцип сканирующей линейки, для регистрации рентгеновского излучения при проведении маммографического обследования может быть применен газовый координатный детектор (фиг.3). В детекторе используются: рабочий газ ксенон при давлении 5 атм.; дрейфовый электрод, совмещенный с катодом, имеющий в сечении кривую второго порядка, например, окружность диаметром 1 см; сапфировая подложка толщиной 0.25 мм с размещенными на ней анодом с поперечным размером 20 мкм и катодом с поперечным размером 50 мкм; отношение D/А= 23; анод находится под положительным потенциалом порядка 850-1000 В, а катод, совмещенный с дрейфовым электродом, находится под нулевым потенциалом. В качестве фотоприемника используется ПЗС-линейка.Example of a gas coordinate electroluminescent detector
Using the principle of a scanning ruler, a gas coordinate detector (Fig. 3) can be used to record X-ray radiation during a mammographic examination. The detector uses: working gas xenon at a pressure of 5 atm .; a drift electrode combined with the cathode, having a second-order curve in cross section, for example, a circle with a diameter of 1 cm; a sapphire substrate 0.25 mm thick with an anode with a transverse size of 20 μm and a cathode with a transverse size of 50 μm placed on it; ratio D / A = 23; the anode is at a positive potential of the order of 850-1000 V, and the cathode, combined with the drift electrode, is at zero potential. As a photodetector, a CCD line is used.

Claims (8)

1. Газовый координатный электролюминесцентный детектор, содержащий фотоприемник и размещенные в корпусе, имеющем выходное окно, прозрачное для спектра электролюминесценции, анод, катод и дрейфовый электрод, отличающийся тем, что по крайней мере один тонкий, протяженный анод и смежные ему края расположенных по обе стороны от него катодов лежат в одной плоскости или на гладкой поверхности второго порядка, при этом расстояние между смежными краями анода и катода и поперечный размер анода выбираются из условия
7 < D/A < 70,
где D - расстояние между смежными краями анода и катода;
А - поперечный размер анода в пределах от 2 до 30 мкм;
а напряжение, подаваемое на электроды, выбирают так, чтобы коэффициент газового усиления был не более 100.1. A gas coordinate electroluminescent detector containing a photodetector and placed in a housing having an exit window transparent to the electroluminescence spectrum, an anode, a cathode and a drift electrode, characterized in that at least one thin, elongated anode and adjacent edges located on both sides from it, the cathodes lie on the same plane or on a smooth surface of the second order, while the distance between adjacent edges of the anode and cathode and the transverse size of the anode are selected from the condition
7 <D / A <70,
where D is the distance between adjacent edges of the anode and cathode;
And - the transverse size of the anode in the range from 2 to 30 microns;
and the voltage supplied to the electrodes is selected so that the gas gain is not more than 100. 2. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.1, отличающийся тем, что тонкие протяженные аноды и катоды чередуются с периодичностью 0,1 - 3 мм. 2. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 1, characterized in that the thin long anodes and cathodes alternate with a frequency of 0.1 to 3 mm 3. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что выходное окно корпуса является входным окном фотоприемника. 3. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 1 or 2, characterized in that the output window of the housing is the input window of the photodetector. 4. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника используются матрицы ПЗС, фотодиодные матрицы, фотоэлектронные умножители, усилители изображения, фоточувствительные пленки или любые другие фоточувствительные элементы. 4. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the photodetector uses CCD arrays, photodiode arrays, photoelectronic multipliers, image amplifiers, photosensitive films or any other photosensitive elements. 5. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что имеет автономный замкнутый газовый объем. 5. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 1, or 2, or 3, or 4, characterized in that it has an autonomous closed gas volume. 6. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.1, отличающийся тем, что катоды совмещены с дрейфовым электродом, поперечное сечение которого постоянно вдоль всей длины анода и образует кривую второго порядка, либо многоугольник, либо их комбинацию. 6. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 1, characterized in that the cathodes are aligned with a drift electrode, the cross section of which is constant along the entire length of the anode and forms a second-order curve, either a polygon, or a combination thereof. 7. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен входным окном для ионизирующего излучения. 7. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 1, characterized in that the housing is equipped with an input window for ionizing radiation. 8. Газовый координатный электролюминесцентный детектор по п.7, отличающийся тем, что входным окном для ионизирующего излучения является дрейфовый электрод. 8. The gas coordinate electroluminescent detector according to claim 7, characterized in that the input window for ionizing radiation is a drift electrode.

Images