детектор ионизирующего излучения

Формула изобретения

Детектор ионизирующего излучения, включающие конвертор, усилитель на основе микроканальных пластин и коллектор, расположенные в корпусе с входным окном, отличающийся тем, что он содержит дополнительные конвертор, усилитель и коллектор, торцевые поверхности основного и дополнительного конверторов обращены одна к другой, установлены на расстоянии d<l и расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось симметрии входного окна, высота которого hl, где l толщина каждого из инверторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, в частности к детекторам ионизирующего излучения.

Детекторы на основе микроканальных пластин (МКП) нашли широкое применения в различных областях науки и техники. Это экспериментальная физика, ядерное приборостроение, радиационная диагностика и т.д. Они используются в качестве детекторов как корпускулярного, так и электромагнитного излучения. В настоящее время разработаны различные сборки детекторов на основе МКП для регистрации ионизирующего излучения. Однако, общим недостатком всех детекторов на основе МКП является их низкая эффективность регистрации жесткого ионизирующего излучения, ввиду того, что по мере увеличения энергии ионизирующего излучения резко падает вероятность их взаимодействия с веществом МКП. Повышение эффективности регистрации ионизирующего излучения может быть достигнуто увеличением толщины используемых МКП, т.к. при этом растет вероятность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом МКП. Однако, технология изготовления МКП не позволяет увеличивать их толщины до получения удовлетворительного значения эффективности регистрации жесткого ионизирующего излучения.

Известна конструкция детектора ионизирующего излучения [1] состоящего из конвертора и усилителя на основе МКП и коллектора, собранных в корпусе, имеющем входное окно, расположенное параллельно торцевой поверхности конвертора. Эффективность регистрации данного детектора для гамма-излучения с энергией выше 100 КэВ не превышает 2%

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип [2] является детектор ионизирующего излучения, включающий конвертор и усилитель на основе микроканальных пластин и коллектор, расположенные в корпусе с входным окном, плоскость которого расположено параллельно торцевой поверхности конвертора.

Недостатком данного детектора является низкая эффективность регистрации жесткого ионизирующего излучения из-за малой эффективно поглощающей толщины конвертора. При регистрации жесткого ионизирующего излучения данным детектором электронные лавины внутри каналов конвертора образуются по всей длине каналов с равной вероятностью, т.к. излучение падает перпендикулярно торцевой поверхности конвертора. Это приводит уменьшению амплитуды значительной части выходных импульсов. Ввиду ограниченности динамического диапазона электронной аппаратуры и необходимости дискриминации шумов теряется значительная часть полезных импульсов и снижается эффективность регистрации.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности регистрации ионизирующего излучения.

Данная задача решается тем, что известный детектор ионизирующего излучения, включающий конвертор и усилитель на основе микроканальных пластин и коллектор, расположенные в корпусе с входным окном, согласно формуле изобретения, содержит дополнительные конвертор, усилитель и коллектор, торцевые поверхности основного и дополнительного конвертеров обращены друг к другу, установлены на расстоянии d<l и расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось симметрии входного окна, высота которого h , где l толщина каждого из конверторов.

Благодаря предложенному расположению конверторов относительно друг-друга и входного окна детектора ионизирующее излучения падает перпендикулярно к боковым поверхностям конверторов, эффективно поглощающая толщина конверторов многократно увеличивается, растет вероятность взаимодействия падающего излучения с веществом МКП и увеличивается вероятность их регистрации. Оптимальны выбор высоты входного окна из условия обеспечивает проход ионизирующего излучения через слои, включающие первые половины каналов конверторов. Образовавшиеся в этих слоях электронные лавины дают импульсы, превосходящие по амплитуде шумовых импульсов и легко регистрируемые электронной аппаратурой. Это позволяет дискриминировать шумы МКП без потери полезного сигнала и увеличивается эффективность регистрации. Использование дополнительного конвертора с собственным усилителем и коллектором увеличивает толщины слоя, дающего эффективно регистрируемые импульсы, что при оптимальном выборе высоты входного окна из условия h l также приводит к увеличению эффективности регистрации. Выбор расстояния между торцевыми поверхностями конверторов из условия d<l позволяет минимизировать потери падающего излучения в полости между торцевыми поверхностями конверторов и предотвращает снижение эффективности регистрации. Таким образом, каждый из признаков необходим, а совокупность их достаточна для решения поставленной задачи.

На момент подачи заявки из знания мирового уровня техники, авторам не известна заявленная совокупность признаков, хотя по отдельности некоторые из них могут быть известны. Например, известно техническое решение [1] в котором эффективность регистрации повышается увеличением эффективно поглощающего слоя путем увеличения толщины конвертора. Однако, технология изготовления МКП не позволяет увеличить толщины пластин для получения удовлетворительного значения эффективности регистрации. До выполнения исследования, проведенного автором, считалось, что наиболее оптимальным путем повышения эффективности регистрации является увеличение толщины конвертора, а дискриминировать шумы МКП без потери полезного сигнала невозможно, т.к. при известном расположении конвертора относительно входного окна регистрируемое излучение падает перпендикулярно к торцевой поверхности конвертора, полезные электронные лавины так же, как и шумовые образуются по всей толщине конвертора. Проведенное автором исследование показало, что при использовании основного и дополнительного конверторов, установленных с обращенными друг к другу торцевыми поверхностями на расстоянии d < l, в случае прохождения плоскости симметрии торцевых поверхностей через ось симметрии входного окна многократно увеличивается толщина эффективно поглощающего слоя конверторов и растет эффективность регистрации, а при оптимальном выборе высоты входного окна становится возможным дискриминация шумов без потери полезных импульсов, что также увеличивает эффективность регистрации. Описанный механизм был неочевиден ввиду того, что из сведений входящих в уровень техники он явным образом не следовал.

Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. приведена конструкция заявляемого устройства. Данное устройство состоит из основного и дополнительного конверторов 1, усилителей 2, и коллекторов 3, расположенных в корпусе 4 с входным окном 5. Для пояснения на фиг. изображены лепестки 6 и крепежные шпильки 7.

Устройство работает следующим образом: регистрируемые ионизирущие излучения через входное окно 5 корпуса 4 падает перпендикулярно к боковым поверхностям конверторов 1. Образовавшиеся в результате взаимодействия излучения с веществом конверторов электроны вызывают лавинообразный процесс вторично-электронного умножения внутри каналов конверторов. Полученные лавины, состоящие из 10²-10⁴ электронов с выхода каналов конверторов попадают на вход каналов усилителей 2, вызывая в них аналогичные лавинообразные процессы вторично-электронного умножения. С выхода каналов усилителей усиленны электронные лавины, состоящие из 10⁴-10⁸ электронов попадают на коллекторы 3. Полученные импульсы зарядов с выхода коллекторов подаются на регистрирующую электронную аппаратуру.

Пример конкретного исполнения.

Был изготовлен детектор ионизирующего излучения и исследован при регистрации гамма-излучения. Основной и дополнительный конверторы 1 представляют собой МКП толщиной l 3 мм, диаметром и наклоном каналов 19 мкм и 10^o. Усилители 2 имеют толщины 0,7 мм, диаметр и наклон каналов 18 мкм и 15^o. Конверторы и усилители изготовлены вырезкой из пластин серийного выпуска и имеют размеры 15х35 мм. Коллекторы 3 изготовлены из медной фольги толщиной 100 мкм. Питание пластин и снятие заряда с коллекторов осуществляется с помощью медных лепестков 6 толщиной 20 мкм. Расстояние между торцевыми поверхностями конверторов равно 20 мкм и задается лепестком питания конверторов. В зазоры между конверторами и усилителями0 а также между усилителями и коллекторами, равные 150 мкм подается ускоряющее напряжение 50 В для улучшения сбора электронных лавин. Соответствующие выводы питания конверторов и усилителей, а также коллектора электрически соединены между собой. Вся сборка находилась внутри керамического корпуса 4 с входным окном 5 высотой h 3 мм и шириной 10 мм и держалась под небольшим давлением, созданным крепежными шпильками 7. Плоскость симметрии торцевых поверхностей конверторов проходила через ось симметрии входного окна. Исследование детектора проводилось в вакуумной камере с остаточным давлением 4х10^-7 Тор. Измерение эффективности регистрации проводилось при облучении детектора пучком гамма-излучения энергией 662 КэВ от источника ¹³⁷Cs активностью 5,2 ГБк. Пучок гамма-излучения, сформированный с помощью специальных коллиматоров имел сечение 2х2 мм и расходимость 0,6^o. Количество квантов в пучке измерялось сцинтилляционным счетчиком с точно известной эффективностью регистрации и составляло 4000 кв./с. Эффективность регистрации детектора определялась как отношения числа полезных импульсов к числу попадающих к детектор квантов. Максимальное значение эффективности регистрации равное 23% получена при падении пучка излучения по плоскости симметрии торцевых поверхностей конверторов, что примерно на порядок превышает эффективность прототипа, равную 2,5% Таким образом, поставленная задача решена.