RU2291469C1 - Gas proportionally-scintillation detector - Google Patents

Abstract

FIELD: the proposed invention refers to gas proportionally-scintillation detectors designed for registration of ionization radiation particularly in arrangements of nuclear-physique analysis of a matter composition.

SUBSTANCE: a gas proportionally-scintillation detector has a cylindrical body, a focusing system consisting of focusing rings and the first and the second electrode grids, placed inside the body transversely to its axle, an input and an output windows located at the ends of the body, and a photo electronic multiplier. At that the body is fulfilled solid out of electro solid and vacuum-pure glass and has a well-shape unit of joining with the photo electronic multiplier, at the upper end inside the body at the upper part of the absorption zone there is a grounded cylinder out of electro conducting material installed on a flange with the input window and the second electrode grid is mounted on the low end in the joining unit in the low part of the absorption zone on a flange with the output window on quartz glass.

EFFECT: increases sensitiveness, improves energetic resolution and increases effectiveness of registration of ionization radiation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к газовым пропорционально-сцинтилляционным детекторам (ГПСД), предназначенным для регистрации ионизирующих излучений, в частности, в устройствах ядерно-физического анализа состава вещества.The invention relates to gas proportional scintillation detectors (HPS), designed to record ionizing radiation, in particular, in devices for nuclear-physical analysis of the composition of a substance.

Известен газоразрядный электролюминесцентный детектор, в котором корпус выполнен в виде цилиндра, а высоковольтная сетка расположена на выходном кварцевом окне, что направлено на улучшение энергетического разрешения и повышение эффективности регистрации (А.С. №533164, М. кл. Н 01 J 47/00, 1982).Known gas-discharge electroluminescent detector, in which the housing is made in the form of a cylinder, and a high-voltage grid is located on the output quartz window, which is aimed at improving energy resolution and increasing the efficiency of registration (A.S. No. 5333164, M. class. N 01 J 47/00 , 1982).

Однако чувствительность и энергетическое разрешение аналога невелики из-за того, что использование полеобразующего цилиндра без фокусирующих колец не обеспечивает однородности поля на краях зоны поглощения и недостаточно эффективно исключает влияние внешних полей и электростатических зарядов, образовавшихся на поверхности стеклянного корпуса в зоне поглощения.However, the sensitivity and energy resolution of the analogue are small due to the fact that the use of a field-forming cylinder without focusing rings does not provide uniformity of the field at the edges of the absorption zone and does not sufficiently effectively exclude the influence of external fields and electrostatic charges formed on the surface of the glass case in the absorption zone.

Известно устройство - электростатическая собирательная линза (ЭСЛ) (Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. Москва, 1960, Связьиздат, с.74), в котором электрический пучок фокусируется за счет подачи на фокусирующие кольца электрического потенциала. Однако фокусирующие кольца не исключают неоднородность поля на краях зоны поглощения, обусловленную влиянием внешних полей и электростатических зарядов, образованных на непроводящих стенках детектора. Из-за этого чувствительность и разрешение также недостаточны для ряда поставленных задач.A device is known - an electrostatic collective lens (ESL) (Vlasov VF Electronic and ionic devices. Moscow, 1960, Svyazizdat, p. 74), in which the electric beam is focused by applying an electric potential to the focusing rings. However, the focusing rings do not exclude the field inhomogeneity at the edges of the absorption zone due to the influence of external fields and electrostatic charges formed on the non-conducting walls of the detector. Because of this, sensitivity and resolution are also insufficient for a number of tasks.

В качестве прототипа выбрано устройство ГПСД, наиболее близкое к заявленному по назначению и конструкции (Гоганов М.Е., Элькинд В.В. и др. Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1984. Вып.81, с.48). Цилиндрический корпус детектора собран из металлокерамических колец, между которыми закреплены четыре фокусирующих кольца с различными диаметрами отверстий и две электродные сетки. На торцах корпуса расположены входное и выходное окна. Входное окно изготовлено из бериллия толщиной 150 мкм и припаяно к металлическому фланцу, а выходное окно изготовлено из фтористого магния и припаяно к фланцу корпуса высокотемпературной эмалью. Электродные сетки делят объем детектора на две функциональные части: зону поглощения и зону электролюминесценции. Они имеют длину 3 см и 2 см, соответственно. Зона электролюминесценции, ограниченная двумя электродными сетками, находится на некотором расстоянии от выходного кварцевого окна. Напряженность поля в зоне поглощения составляет 500 В/см, а в зоне электролюминесценции 5000 В/см (Е/р=6,7 В/мм рт.ст.). Интенсивное ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате работы ГПСД, регистрируется ФЭУ-39А. Детектор наполнен чистым ксеноном до давления 700 мм рт.ст. Получено энергетическое разрешение 10,6% на линии К (Mn) (5,9 кэВ) при диаметре диафрагмы на входом окне 20 мм.As a prototype, a GPS device was chosen that is closest to what was declared for its purpose and design (Goganov M.E., Elkind V.V. et al. Geophysical equipment. L .: Nedra, 1984. Issue 81, p. 48). The cylindrical body of the detector is assembled from cermet rings, between which four focusing rings with different hole diameters and two electrode grids are fixed. At the ends of the housing are the input and output windows. The inlet window is made of beryllium 150 microns thick and soldered to the metal flange, and the outlet window is made of magnesium fluoride and soldered to the housing flange with high-temperature enamel. Electrode grids divide the detector volume into two functional parts: the absorption zone and the electroluminescence zone. They have a length of 3 cm and 2 cm, respectively. The electroluminescence zone, limited by two electrode grids, is located at some distance from the output quartz window. The field strength in the absorption zone is 500 V / cm, and in the electroluminescence zone 5000 V / cm (E / p = 6.7 V / mmHg). Intense ultraviolet radiation resulting from the operation of the GPS is recorded by a PMT-39A. The detector is filled with pure xenon up to a pressure of 700 mmHg. An energy resolution of 10.6% was obtained on the K (Mn) line (5.9 keV) with a diaphragm diameter at the input window of 20 mm.

Недостатками конструкции является, во-первых, необходимость вакуумно-прочного соединения металлокерамических колец, между которыми находятся электроды с электрическими выводами. При наличии многочисленных соединений, если и обеспечивается вакуумная прочность корпуса, то не гарантируется вакуумная чистота внутренней поверхности корпуса и системы электродов, что загрязняет рабочий газ детектора и приводит к ухудшению его рабочих характеристик. Во-вторых, имеет место нежелательная неоднородность поля на краях зоны поглощения из-за влияния внешних полей и электростатических зарядов, образованных на керамических стенках детектора; в-третьих, удаление зон электролюминесценции от выходного кварцевого окна приводит к ухудшению светосбора, а следовательно, и энергетического разрешения.The design flaws are, firstly, the need for a vacuum-durable connection of ceramic-metal rings, between which there are electrodes with electrical leads. If there are numerous compounds, if the vacuum strength of the housing is ensured, then the vacuum cleanliness of the inner surface of the housing and the electrode system is not guaranteed, which pollutes the working gas of the detector and leads to a deterioration in its performance. Secondly, there is an undesirable field inhomogeneity at the edges of the absorption zone due to the influence of external fields and electrostatic charges formed on the ceramic walls of the detector; thirdly, the removal of electroluminescence zones from the output quartz window leads to a deterioration in light collection and, consequently, energy resolution.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого устройства, заключается в повышении чувствительности, улучшении энергетического разрешения и повышении эффективности регистрации.The technical result achieved by the implementation of the proposed device is to increase the sensitivity, improve energy resolution and increase the efficiency of registration.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в газовом пропорционально-сцинтилляционном детекторе, включающем цилиндрический корпус, фокусирующую систему, состоящую из фокусирующих колец и электродных сеток, размещенных внутри корпуса перпендикулярно его оси, входное и выходное окна, расположенные у торцов корпуса, и фотоэлектронный умножитель, корпус, выполненный сплошным из электропрочного и вакуумно-чистого стекла, имеет колодцеобразный узел стыковки с ФЭУ, у верхнего торца, внутри корпуса, в верхней части зоны поглощения, на фланце с входным окном установлен заземленный цилиндр из электропроводящего материала, а на нижнем торце, в узле стыковки, в нижней части зоны поглощения, на фланце с выходным кварцевым окном смонтирована вторая электродная сетка.The specified technical result is achieved due to the fact that in the gas proportional-scintillation detector, which includes a cylindrical body, a focusing system consisting of focusing rings and electrode grids placed inside the body perpendicular to its axis, input and output windows located at the ends of the body, and a photoelectronic the multiplier, the housing, made of solid electric and vacuum-clean glass, has a well-shaped docking assembly with PMTs, at the upper end, inside the housing, in the upper part of the zone glossing, a grounded cylinder of electrically conductive material is installed on the flange with the input window, and a second electrode grid is mounted on the bottom end, in the docking station, in the lower part of the absorption zone, on the flange with the output quartz window.

Отличительными от прототипа признаками является использование сплошного корпуса из вакуумно-чистого и вакуумно-прочного материала (стекло, С-52) вместо набора металлокерамических колец и многочисленных их соединений с кольцами электродов; использование заземленного цилиндра из электропроводящего материала, что позволяет улучшить однородность поля на краях зоны поглощения и уменьшить влияние внешних полей на поле в этой зоне; размещение высоковольтной электродной сетки непосредственно на выходном кварцевом окне, что позволяет улучшить светосбор. Наличие колодцеобразного узла стыковки детектора с фотоэлектронным умножителем упрощает фиксацию ФЭУ с детектором и исключает влияние внешних электрических полей на фотокатод ФЭУ без использования дополнительной защиты ФЭУ и тем самым повышает стабильность работы ФЭУ.Distinctive features from the prototype are the use of a continuous casing of vacuum-clean and vacuum-resistant material (glass, C-52) instead of a set of cermet rings and their numerous connections with electrode rings; the use of a grounded cylinder of electrically conductive material, which improves the uniformity of the field at the edges of the absorption zone and reduces the influence of external fields on the field in this zone; placement of a high-voltage electrode grid directly on the output quartz window, which allows to improve light collection. The presence of a well-shaped node for docking the detector with the photoelectronic multiplier simplifies the fixation of the PMT with the detector and eliminates the influence of external electric fields on the photocathode of the PMT without additional protection of the PMT and thereby increases the stability of the PMT.

Использование указанных конструктивных решений позволяет уменьшить отношение Е/р и число фокусирующих колец с сохранением высокого энергетического разрешения, улучшить энергетическое разрешение и эффективность регистрации.The use of these design solutions can reduce the E / p ratio and the number of focusing rings while maintaining high energy resolution, improve energy resolution and registration efficiency.

Все указанные признаки заявляемого технического решения необходимы и достаточны для обеспечения заявленного технического результата.All these signs of the claimed technical solution are necessary and sufficient to ensure the claimed technical result.

При исследовании объектов техники, решающих аналогичные задачи, не обнаружены источники известности, порочащие новизну заявляемого технического решения.When researching objects of technology that solve similar problems, no sources of fame were found that discredited the novelty of the claimed technical solution.

Таким образом, заявленный ГПСД соответствует критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed GPA meets the criteria of the invention of "novelty."

На чертеже представлен общий вид заявляемого устройства.The drawing shows a General view of the claimed device.

Детектор представляет собой металло-стеклянный газонаполненный прибор. Несущим конструктивным элементом детектора является цилиндрический корпус 1, изготовленный из молибденового стекла. Для обеспечения герметичности конструкции к одному из торцов цилиндра через коваровую втулку 2 приварен фланец с бериллиевым входным окном 3. Другой торец вакуумно-плотно замыкается втулкой из молибденового стекла с коваровым фланцем 4, к которому припаяно выходное кварцевое окно 5. Внутри цилиндрического корпуса на стеклянных изоляторах 6 расположены фокусирующие кольца 7, проводящий заземленный цилиндр 8 и первая электродная сетка 9, а вторая электродная сетка 10 располагается на выходном кварцевом окне и крепится непосредственно к коваровому фланцу. Электродные сетки делят рабочий объем детектора на две функциональные части, а именно зону поглощения 11 и зону электролюминесценции 12. Сетки состоят из держателей 13 кольцевой формы, выполненных из нержавеющей стали, на которые параллельно в одной плоскости натянуты вольфрамовые проволочки. В зоне поглощения размещена фокусирующая система в виде двух колец 7, имеющих одинаковый внутренний диаметр. Кольца изготовлены из нержавеющей стали. Подачу потенциалов на фокусирующую систему и первую электродную сетку осуществляют через коваровые вводы 14, а на вторую сетку - с внешней стороны коварового фланца 4. Практически зона поглощения имела длину 4 см, зона электролюминесценции - 1 см, шаг первой сетки составляет 0,5 мм, а второй сетки - 1 мм. Световое излучение, возникающее в результате работы детектора, регистрируют ФЭУ-39А, 15, который вставляют в колодцеобразный узел стыковки 16. Для защиты детектора и входного окна ФЭУ-39А от света используют светонепроницаемый кожух, который не показан. Предложенная конструкция детектора позволяет произвести предварительную откачку до 10^-7 мм рт.ст. при температуре 350°С. Затем детектор заполняют чистым ксеноном до давления 750 мм рт.ст. и отпаивают.The detector is a metal-glass gas-filled device. The supporting structural element of the detector is a cylindrical housing 1 made of molybdenum glass. To ensure the tightness of the structure, a flange with a beryllium inlet window 3 is welded to one of the ends of the cylinder through an insidious sleeve 2, the other end is vacuum-tightly closed by a molybdenum glass sleeve with an insidious flange 4, to which the quartz exit window is soldered 5. Inside the cylindrical body on glass insulators 6, focusing rings 7, a conductive grounded cylinder 8 and a first electrode grid 9 are located, and the second electrode grid 10 is located on the output quartz window and is attached directly to the ovomu flange. Electrode grids divide the working volume of the detector into two functional parts, namely, the absorption zone 11 and the electroluminescence zone 12. The grids consist of ring-shaped holders 13 made of stainless steel, on which tungsten wires are stretched parallel to the same plane. A focusing system is placed in the absorption zone in the form of two rings 7 having the same inner diameter. The rings are made of stainless steel. The potentials are supplied to the focusing system and the first electrode grid through insidious bushings 14, and to the second grid from the outside of the insidious flange 4. In practice, the absorption zone was 4 cm long, the electroluminescence zone was 1 cm, the pitch of the first grid was 0.5 mm, and the second grid is 1 mm. Light radiation resulting from the operation of the detector is recorded by a PMT-39A, 15, which is inserted into the well-shaped docking unit 16. To protect the detector and the entrance window of the PMT-39A from light, a lightproof casing is used, which is not shown. The proposed detector design allows preliminary pumping up to 10 ^-7 mm Hg. at a temperature of 350 ° C. Then the detector is filled with pure xenon to a pressure of 750 mm Hg. and solder off.

Работает устройство следующим образом. Регистрируемое излучение попадает через входное окно 3 в рабочий объем детектора, производит первичную ионизацию с образованием фотоэлектронов и возбужденных атомов газа в зоне поглощения 11. Далее под влиянием электрического поля напряженностью 200 В/см, приложенного к чувствительному объему, облако электронов, образовавшееся в результате фотоэффекта в зоне поглощения, начинает дрейфовать в зону электролюминесценции 12. При этом на электронное облако воздействует электрическое поле, образованное фокусирующими кольцами 7, силовые линии которого сходятся к оси детектора перед входом в область электролюминесценции. Под воздействием перпендикулярной к оси компоненты поля электронное облако, дрейфующее по направлению к области электролюминесценции, сжимается к оси детектора и входит в область электролюминесценции узким пучком эллипсоидной формы с главной осью, перпендикулярной к вектору электрического поля. Тем самым достигается уменьшение эффективного диаметра области генерации излучения и локализация высвечивания в приосевой области ГПСД и ФЭУ 15, т.е. улучшается светосбор, а следовательно, энергетическое разрешение. Наличие проводящего заземленного цилиндра 8 в верхней части зоны поглощения позволяет исключить влияние внешних полей и электростатических зарядов, образованных на стеклянных стенках детектора, на поле в зоне поглощения и тем самым повысить однородность поля на краях этой зоны. Достигнув области электролюминесценции, где напряженность поля в рабочем образце соответствует 3800 В/см, а отношение Е/р=8 В/см мм рт.ст., электроны приобретают энергию и, сталкиваясь с атомами газа, приводят их в возбужденное состояние, причем это возбуждение может быть как резонансным, так и метастабильным. Ультрафиолетовое излучение, образованное за счет электролюминесценции, регистрируется ФЭУ-39А.The device operates as follows. The recorded radiation enters through the input window 3 into the working volume of the detector, performs primary ionization with the formation of photoelectrons and excited gas atoms in the absorption zone 11. Then, under the influence of an electric field of 200 V / cm applied to the sensitive volume, the electron cloud formed as a result of the photoelectric effect in the absorption zone, begins to drift into the electroluminescence zone 12. In this case, the electric field is affected by the electric field formed by the focusing rings 7, the lines of force Otori converge to the detector axis in front of the electroluminescence area. Under the influence of the field component perpendicular to the axis of the field, an electron cloud drifting towards the electroluminescence region is compressed to the axis of the detector and enters the electroluminescence region by a narrow beam of ellipsoid shape with the main axis perpendicular to the electric field vector. Thereby, a decrease in the effective diameter of the radiation generation region and localization of emission in the near-axis region of the HPS and PMT 15 are achieved, i.e. light collection is improved, and hence energy resolution. The presence of a conductive grounded cylinder 8 in the upper part of the absorption zone eliminates the influence of external fields and electrostatic charges formed on the glass walls of the detector on the field in the absorption zone and thereby increase the uniformity of the field at the edges of this zone. Having reached the electroluminescence region, where the field strength in the working sample corresponds to 3800 V / cm, and the ratio E / p = 8 V / cm mm Hg, the electrons acquire energy and, when they collide with the atoms of the gas, bring them to an excited state, and this excitation can be both resonant and metastable. Ultraviolet radiation generated by electroluminescence is detected by a PMT-39A.

Одним из важных параметров ГПСД является энергетическое разрешение. Существенное влияние на энергетическое разрешение оказывают флуктуации числа электронов, достигающих зоны электролюминесценции, и флуктуации числа фотонов, попадающих на фотокатод ФЭУ. Наличие фокусирующих колец проводящего заземленного цилиндра и расположение высоковольтной сетки непосредственно на выходном кварцевом окне 5 позволяет сократить габариты ФЭУ с сохранением высоких спектрометрических характеристик при относительно большой чувствительной поверхности входного окна.One of the important parameters of GPS is energy resolution. Fluctuations in the number of electrons reaching the electroluminescence zone and fluctuations in the number of photons incident on the photocathode of a PMT have a significant effect on the energy resolution. The presence of the focusing rings of the conductive grounded cylinder and the location of the high-voltage grid directly on the quartz output window 5 reduces the size of the PMT while maintaining high spectrometric characteristics with a relatively large sensitive surface of the input window.

Устройство ГПСД, применяемое в составе рентгеновской аппаратуры, позволяет расширить область ее применения, повысить аналитические и эксплуатационные параметры этой аппаратуры: повысить качество и точность анализа, увеличить производительность. Улучшенное энергетическое разрешение ГПСД по сравнению с пропорциональным счетчиком в 1,5-2 раза приводит к качественному изменению аналитических характеристик аппаратуры. Так в структурном анализе становится возможным полное подавление β-линии с помощью введения аппаратурной дискриминации без применения фильтра. Это дает выигрыш в интенсивности первичного пучка в 1,5-2 раза. В рентгеноспектральном бескристальном анализе с использованием ГПСД становится возможным разрешение рентгеновской флуоресценции элементов с атомными номерами z, z+2, в то время как с пропорциональным счетчиком - z, z+3.The GPSD device used in the composition of X-ray equipment allows to expand the scope of its application, to increase the analytical and operational parameters of this equipment: to increase the quality and accuracy of analysis, to increase productivity. The improved energy resolution of the GPSD compared to the proportional counter 1.5-2 times leads to a qualitative change in the analytical characteristics of the equipment. So in the structural analysis it becomes possible to completely suppress the β-line by introducing hardware discrimination without the use of a filter. This gives a gain in the intensity of the primary beam of 1.5-2 times. In X-ray spectral crystalless analysis using HPSD, it becomes possible to resolve the X-ray fluorescence of elements with atomic numbers z, z + 2, while with a proportional counter - z, z + 3.

Таким образом, техническое решение ГПСД соответствует критерию «промышленная применимость».Thus, the technical solution of the GPD meets the criterion of "industrial applicability".

В настоящее время изготовлен макет предложенного устройства и проводится его экспериментальная проверка.Currently, a model of the proposed device has been made and its experimental verification is being carried out.

Claims (1)

Газовый пропорционально-сцинтилляционный детектор, включающий цилиндрический корпус, фокусирующую систему, состоящую из фокусирующих колец и первой и второй электродных сеток, размещенных внутри корпуса перпендикулярно его оси, входное и выходное окна, расположенные у торцов корпуса, и фотоэлектронный умножитель, отличающийся тем, что корпус, выполненный сплошным из электропрочного и вакуумно-чистого стекла, имеет колодцеобразный узел стыковки с ФЭУ, у верхнего торца внутри корпуса в верхней части зоны поглощения на фланце с входным окном установлен заземленный цилиндр из электропроводящего материала, а на нижнем торце в узле стыковки в нижней части зоны поглощения на фланце с выходным окном на кварцевом стекле смонтирована вторая электродная сетка.A gas proportional scintillation detector comprising a cylindrical body, a focusing system consisting of focusing rings and first and second electrode grids placed perpendicular to its axis inside the body, input and output windows located at the ends of the body, and a photoelectronic multiplier, characterized in that the body made of continuous electric and vacuum-clean glass, has a well-shaped docking assembly with PMTs, at the upper end inside the housing in the upper part of the absorption zone on the flange with the inlet a grounded cylinder of electrically conductive material is installed in the window, and a second electrode grid is mounted on the quartz glass at the lower end in the docking unit in the lower part of the absorption zone on the flange with the exit window on the quartz glass.