RU2095883C1

RU2095883C1 - Electroluminescent gas detector

Info

Publication number: RU2095883C1
Application number: RU96103898A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Беляев; В.И. Захарченко; Ю.А. Ежов; А.Г. Лебедев; А.С. Серебряков; А.Г. Щербак
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: recording ionizing radiation. SUBSTANCE: detector has its focusing electrode placed in absorption zone and made in the form of hollow cylinder with height h_f and inner diameter d_f exceeding diameter d_in of input window of material having low atomic number. Second grid electrode forming electroluminescence zone together with first grid electrode installed in center of detector interior is arranged on inner surface of output window having diameter d_out and rigidly fixed with this surface; distance Rx from detector axis to inner surface of case in each sectional area at distance Hx from input window specified by expression H_f≅ H_x≅ H_∂,, where H_∂ is detector height, and H_f = h_f + Δ, where Δ is gap between focusing electrode and input window, is found from condition

Description

Изобретение относится к рентгеновскому и ядерному приборостроению и может быть использовано в технике измерения и регистрации ионизирующих излучений. The invention relates to x-ray and nuclear instrumentation and can be used in the technique of measuring and recording ionizing radiation.

Известен газовый сцинцилляционный пропорциональный счетчик [1] содержащий керамический корпус, имеющий коническую и цилиндрическую части, входное бериллиевое окно и выходное окно из материала "супрасил", присоединенные к торцам корпуса, причем бериллиевое входное окно присоединено к большему торцу конической части, а выходное к торцу цилиндрической части корпуса, систему кольцевых фокусирующих электродов в конической части корпуса, плоскости которых перпендикулярны оси корпуса, два сеточных сферических и один плоский электроды, образующие между собой зону сцинтилляции, а в пространстве до входного окна зону поглощения. Known gas scintillation proportional counter [1] containing a ceramic body having a conical and cylindrical part, an input beryllium window and an exit window of material "suprasil" attached to the ends of the case, and the beryllium input window is attached to the larger end of the conical part, and the output to the end the cylindrical part of the casing, a system of ring focusing electrodes in the conical part of the casing, the planes of which are perpendicular to the axis of the casing, two grid spherical and one flat electrodes, image interconnected scintillation zone, and in the space up to the entrance window the absorption zone.

Конструкция имеет следующие недостатки. The design has the following disadvantages.

Наличие сеток сферической формы, что ограничивает зону люминесценции и резко усложняет конструкцию детектора, т.к. требуются чрезвычайно точные их формообразование, ориентация и фиксация в корпусе детектора. В конечном счете это чрезмерно усложняет конструкцию и технологию изготовления детектора, что ухудшает его эксплуатационные характеристики. The presence of spherical grids, which limits the luminescence zone and dramatically complicates the design of the detector, because extremely precise shaping, orientation and fixing in the detector housing are required. Ultimately, this excessively complicates the design and manufacturing technology of the detector, which degrades its performance.

Применение клеевых соединений при посадке входного и выходного окон приводит к загрязнению рабочего газа компонентами клеев, что резко снижает ресурс работы детектора и обуславливает необходимость подключения достаточно сложной системы очистки газа. The use of adhesive joints during the landing of the inlet and outlet windows leads to contamination of the working gas by the components of the adhesives, which drastically reduces the life of the detector and necessitates the connection of a rather complex gas purification system.

Искажение итогового информационного сигнала, снимаемого с детектора вследствие вторичного характеристического излучения, которое генерируется на открытых для падающего излучения внутренних поверхностях керамического корпуса с металлическими элементами и фокусирующих электродов, т.к. они выполнены из материалов, имеющих высокий атомный номер. Distortion of the final information signal recorded from the detector due to secondary characteristic radiation, which is generated on the internal surfaces of the ceramic body with metal elements and focusing electrodes open to incident radiation, because they are made of materials having a high atomic number.

Снижение чувствительности детектора вследствие использования выходного окна сравнительно небольшого диаметра, поскольку в данном случае интегральный телесный угол сбора светового потока невелик. The decrease in detector sensitivity due to the use of an output window of a relatively small diameter, since in this case the integral solid angle of light collection is small.

Известен газовый пропорциональный сцинтилляционный счетчик [2] представляющий собой цилиндрический металлокерамический корпус, заполняемый чистым инертным газом (в частности, ксеноном), к одному торцу которого присоединено бериллиевое входное окно, а к второму торцу кварцевое выходное окно. Система электродов образует с входным окном дрейфовый объем (зона поглощения), а между собой область электролюминесценции. Один из электродов, расположенный вблизи выходного окна, одновременно является "защитным", препятствующим возникновению электронной бомбардировки выходного окна, на внутреннюю поверхность которого наносится смеситель спектра, в котором в этом случае возможны сцинтилляции. A gas proportional scintillation counter [2] is known, which is a cylindrical cermet casing filled with pure inert gas (in particular xenon), a beryllium inlet window is connected to one end of the casing, and a quartz exit window is connected to the second end. The electrode system forms a drift volume (absorption zone) with the input window, and the electroluminescence region between itself. One of the electrodes, located near the exit window, is at the same time “protective,” preventing the electronic bombardment of the exit window, on the inner surface of which a spectrum mixer is applied, in which scintillations are possible in this case.

Недостатками данного аналога являются отмеченные для предыдущей конструкции-аналога искажение выходного информационного сигнала вследствие вторичного излучения, генерируемого на стенках металлокерамического корпуса и фокусирующего электрода, и малая чувствительность детектора вследствие сравнительно малого диаметра выходного окна. Кроме того, в данном случае размеры зоны поглощения первичного излучения, зоны люминесценции и нерабочей зоны, расположенной перед выходным окном (между "защитным" электродом и внутренней поверхностью входного окна), не согласованы, что приводит
к частичному поглощению падающего излучения в зоне люминесценции и нерабочей зоне;
к неполному сбору светового потока из зоны люминесценции, что в свою очередь искажает конечный информационный сигнал и ухудшает отношение полезного сигнала к фоновому.The disadvantages of this analogue are the distortion of the output information signal due to the secondary radiation generated on the walls of the ceramic-metal casing and the focusing electrode, and the low sensitivity of the detector due to the relatively small diameter of the output window, noted for the previous analog design. In addition, in this case, the sizes of the absorption zone of the primary radiation, the luminescence zone and the non-working zone located in front of the output window (between the "protective" electrode and the inner surface of the input window) are not consistent, which leads
partial absorption of incident radiation in the luminescence zone and inoperative zone;
to incomplete collection of the light flux from the luminescence zone, which in turn distorts the final information signal and worsens the ratio of the useful signal to the background.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят газовый электролюминесцентный детектор ионизирующего излучения [3] содержащий металлокерамический корпус, заполненный чистым ксеноном, входное окно, выполненное из бериллиевой фольги толщиной 0,2 мм, выходное окно, изготовленное из кристалла фтористого магния MgF₂, размещенные внутри корпуса два сеточных электрода, первый из которых образует с входным окном зону поглощения излучения, а со вторым сеточным электродом зону электролюминесценции. При этом второй сеточный электрод с выходным окном образует зону торможения электронов, прошедших через этот электрод, и возвращающихся на сетку. В зоне поглощения выполнена система фокусирующих электродов в виде колец различного диаметра. На эти кольца подаются отрицательные по отношению к первому сеточному электроды потенциалы. Распределение этих потенциалов имитирует электрическое поле сферического конденсатора с центром в области электролюминесценции.As a prototype for the largest number of common essential features adopted gas electroluminescent ionizing radiation detector [3] containing a ceramic-metal housing filled with pure xenon, an inlet window made of beryllium foil with a thickness of 0.2 mm, an outlet window made of magnesium fluoride crystal MgF ₂ , two grid electrodes placed inside the housing, the first of which forms a radiation absorption zone with the input window, and the electroluminescence zone with the second grid electrode. In this case, the second grid electrode with the output window forms a braking zone of the electrons passing through this electrode and returning to the grid. A system of focusing electrodes in the form of rings of various diameters was made in the absorption zone. Potentials negative in relation to the first grid electrodes are supplied to these rings. The distribution of these potentials simulates the electric field of a spherical capacitor centered in the electroluminescence region.

Недостатками конструкции-прототипа являются
возможная генерация вторичного характеристического излучения на поверхностях металлокерамического корпуса и фокусирующего электрода, выполненных из материалов с высоким атомным номером, что искажает итоговый информационный сигнал и в конечном счете снижает достоверность показаний прибора;
сравнительно невысокая чувствительность детектора вследствие использования выходного окна относительно малого диаметра;
наличие нерабочего газового промежутка между вторым сеточным электродом и выходным окном, вследствие чего т.н. "тень", отбрасываемая вторым сеточным электродом на выходное окно, велика, что приводит к дополнительным потерям светового потока, к неравномерности засветки выходного окна, а следовательно, и фотокатода, контактирующего с выходным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ);
возможное провисание второго сеточного электрода, являющегося маложесткой конструкцией вследствие функционального условия необходимого соотношения площади ячеек к общей площади электрода (-0,8) под действием электрического поля; деформирование электрода в процессе эксплуатации резко снижает стабильность энергетического разрешения детектора;
зона торможения электронов между вторым сеточным электродом и выходным окном является по существу нерабочим объемом детектора, который увеличивает его габариты без какой-либо эффективности в части улучшения рабочих характеристик. Кроме того, наличие указанной нерабочей зоны, т.е. ненужного газового промежутка, может быть связано с дополнительной люминесценцией, квалификация, расчет и оценка величины которой затруднена, но которая является составной частью светового потока, регистрируемого ФЭУ и вносит, таким образом, неопределенности в показания прибора.The disadvantages of the prototype design are
possible generation of secondary characteristic radiation on the surfaces of the cermet casing and focusing electrode made of materials with a high atomic number, which distorts the final information signal and ultimately reduces the reliability of the readings of the device;
relatively low sensitivity of the detector due to the use of the output window of a relatively small diameter;
the presence of a non-working gas gap between the second grid electrode and the exit window, as a result of which the so-called the “shadow” cast by the second grid electrode on the output window is large, which leads to additional losses of light flux, to uneven illumination of the output window, and hence the photocathode in contact with the output window of the photomultiplier tube (PMT);
possible sagging of the second grid electrode, which is a slightly rigid structure due to the functional condition of the necessary ratio of the cell area to the total electrode area (-0.8) under the influence of an electric field; deformation of the electrode during operation dramatically reduces the stability of the energy resolution of the detector;
the electron braking zone between the second grid electrode and the output window is essentially the inoperative volume of the detector, which increases its dimensions without any efficiency in terms of improving performance. In addition, the presence of the specified non-working zone, i.e. unnecessary gas gap may be associated with additional luminescence, the qualification, calculation and estimation of the value of which is difficult, but which is an integral part of the light flux recorded by the PMT and thus introduces uncertainties in the readings of the device.

В целом перечисленные недостатки обуславливают сравнительно невысокие рабочие характеристики детектора и низкий уровень условий его эксплуатации. In general, these shortcomings cause a relatively low detector performance and a low level of operating conditions.

Целью изобретения является улучшение рабочих характеристик и условий эксплуатации детектора. The aim of the invention is to improve the performance and operating conditions of the detector.

Согласно изобретению указанная цель достигается тем, что фокусирующий электрод выполнен в виде полого цилиндра, соосного корпусу, внутренним диаметром d_ф > d_вх и высотой h_ф из материала, имеющего малый атомный номер, второй сеточный электрод размещен на обращенной внутрь детектора торцовой поверхности диска выходного окна и жестко связан с этой поверхностью, а расстояние R_x от оси детектора до внутренней поверхности корпуса в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии H_x от входного окна, задаваемом соотношением
H_ф ≅ H_x ≅ H_д
где H_д высота детектора и H_ф = h_ф + Δ;
Δ зазор между фокусирующим электродом и входным окном определяется из условия

и монотонно убывает по мере уменьшения значения H_x.According to the invention, this goal is achieved in that the focusing electrode is made in the form of a hollow cylinder, coaxial to the housing, with an inner diameter d _f > d _in and a height h _f made of a material having a small atomic number, a second grid electrode is placed on the end surface of the output disk facing the inside of the detector windows and is rigidly connected with this surface, and the distance R _x from the axis of the detector to the inner surface of the housing in each cross section at the corresponding distance H _x from the input window, defined by the ratio
H _f ≅ H _x ≅ H _d
where H _{d the} height of the detector and H _f = h _f + Δ;
Δ the gap between the focusing electrode and the input window is determined from the condition

and monotonically decreases with decreasing value of H _x .

На чертеже показана конструкция детектора. The drawing shows the design of the detector.

Детектор содержит металлокерамический газонаправленный корпус 1, к одному торцу которого герметично без применения клея (например, пайкой или диффузионной сваркой) присоединено входное окно 2, выполненное из материала, прозрачного для ионизирующего излучения (например, бериллий), а ко второму - выходное окно 3, изготовленное из материала, прозрачного для спектра люминесценции газа-наполнителя. В частности, при заполнении детектора ксеноном наиболее приемлемым материалом для выходного окна является кристалл фтористого магния MgF₂. Внутри детектора выполнены два сеточных электрода 4 и 5, на которые через элементы коммутации, предусмотренные в металлокерамическом корпусе 1, подаются соответствующие электрические потенциалы. Сеточный электрод 4 образует с входным окном 3 зону поглощения 6, а между сеточными электродами 4 и 5 формируется зона электролюминесценции. При этом электрод 5 размещен на обращенной внутрь детектора торцевой плоскости диска выходного окна 3 и жестко связан с этой поверхностью. Это может быть реализовано, например, посредством формирования металлической структуры электрода в виде тонкопленочных пересекающихся или параллельных токопроводящих дорожек, полученных каким-либо методом металлизации. В зоне поглощения 6 размещен фокусирующий электрод 8, соосный корпусу 1 имеющий высоту h_ф и внутренний диаметр d_ф, больший диаметра диска d_вх входного окна 2. На чертеже показан зазор Δ между входным окном 2 и фокусирующим электродом 8, что определяется различными потенциалами, подаваемыми на эти элементы детектора. В частном случае фокусирующий электрод 8 может быть закреплен на манжете входного окна 2, т. е. иметь с этим окном одинаковый потенциал. Очевидно, что в этом случае зазор D = 0. Конкретный вариант конструктивного оформления фиксации фокусирующего электрода 8 для рассматриваемого изобретения не принципиален. На чертеже также обозначена возможная конфигурация корпуса 9, отвечающая сущности изобретения, которая связана с основными геометрическими параметрами детектора: высотой - H_д, диаметром выходного окна d_вых, предельно возможным вариантом траектории электрона вдоль оси N'N'', которые определяют расстояние R_x от оси детектора до внутренней поверхности корпуса 1 в каждом поперечном сечении на соответствующем расстоянии H_x, задаваемом соотношением
H_ф≅H_x≅H_д,
где H_ф = h_ф + Δ
Кроме того, на чертеже обозначены необходимые для расчета и лежащие в одной плоскости точки A, B, C, C₁, O, O₁, N₁, N₂,

соответствующие пересечениям лежащих в этой плоскости осей O'O'' и N'N'' с поверхностью цилиндра диаметром d_вх и линиями, совпадающими с отрезками R_x для различных H_x, и этих линий с поверхностью указанного цилиндра и поверхностью корпуса 1 (9).The detector contains a metal-ceramic gas-directed housing 1, to one end of which is hermetically sealed without the use of glue (for example, by soldering or diffusion welding), an input window 2 is made of a material transparent to ionizing radiation (for example, beryllium), and the second window has an output window 3, made of a material transparent to the luminescence spectrum of the filler gas. In particular, when filling the detector with xenon, the most suitable material for the exit window is a crystal of magnesium fluoride MgF ₂ . Inside the detector, two grid electrodes 4 and 5 are made, onto which corresponding electrical potentials are supplied through the switching elements provided in the ceramic-metal casing 1. The grid electrode 4 forms an absorption zone 6 with the input window 3, and an electroluminescence zone is formed between the grid electrodes 4 and 5. In this case, the electrode 5 is placed on the end plane of the disk of the output window 3 facing the inside of the detector and is rigidly connected to this surface. This can be realized, for example, by forming the metal structure of the electrode in the form of thin-film intersecting or parallel conductive tracks obtained by any metallization method. In the absorption zone 6, a focusing electrode 8 is placed, coaxial to the housing 1 having a height h _f and an inner diameter d _f greater than the diameter of the disk d _{in of the} input window 2. The drawing shows the gap Δ between the input window 2 and the focusing electrode 8, which is determined by different potentials, supplied to these elements of the detector. In the particular case, the focusing electrode 8 can be fixed on the cuff of the input window 2, i.e., have the same potential with this window. Obviously, in this case, the gap D = 0. A specific embodiment of the design of fixing the focusing electrode 8 for the invention is not critical. The drawing also indicates a possible configuration of the housing 9, corresponding to the essence of the invention, which is associated with the main geometric parameters of the detector: height - H _d , diameter of the output window d _o , the maximum possible variant of the electron path along the axis N'N '', which determine the distance R _x from the axis of the detector to the inner surface of the housing 1 in each cross section at the corresponding distance H _x defined by the ratio
H _f ≅H _x ≅H _d ,
where H _f = h _f + Δ
In addition, the drawing indicates the points A, B, C, C ₁ , O, O ₁ , N ₁ , N ₂ , necessary for calculation and lying on the same plane

corresponding to the intersections of the axes O'O '' and N'N '' lying in this plane with the surface of the cylinder with a diameter of d _in and lines coinciding with the segments R _x for different H _x and these lines with the surface of the specified cylinder and the surface of the housing 1 (9 )

Предлагаемый детектор функционирует следующим образом. Проникающее ионизирующее излучение проходит через входное окно 2 и поглощается в зоне между входным окном и сеточным электродом 4 в зоне поглощения 6, создавая в рабочем газе детектора (например, ксеноне) первичную ионизацию. При поглощении кванта в зоне поглощения 6 образуется облако медленных электронов, дрейфующих в этой зоне по направлению к зоне электролюминесценции 7 под действием электрического поля между входным окном 2 и сеточным электродом 4. Электрическое поле в зоне поглощения 6 выбирается таким, чтобы электроны смогли набрать энергию, достаточную только для возбуждения атомов ксенона. При этом фокусирующий электрод 8, выполненный в виде полого цилиндра внутренним диаметром d_ф, гарантированно исключает попадание электронов на металлокерамический корпус детектора и определяемые этим потери, которые в конечном счете сказываются на достоверности регистрируемого на выходе детектора светового потока. Выполнение фокусирующего электрода из материала с малым атомным номером исключает его флуоресценцию в рабочем энергетическом диапазоне, что также связано с точностными параметрами прибора в целом. Очевидно, что фокусирующий электрод 8 может быть закреплен непосредственно на входном окне 2 и иметь с ним одинаковый потенциал, т.е. зазор Δ 0, либо быть изолированным от входного окна 2 и иметь с ним различные электрические потенциалы, что определяется конкретными условиями использования детектора и решаемыми задачами. Поэтому наличие или отсутствие зазора D для изобретения не принципиально. Очевидно, что этот зазор не должен давать возможность выхода рентгеновских квантов или электронов на корпус детектора, что обеспечивается конструктивным оформлением этой части детектора и достаточно малой величиной зазора D
Таким образом, в данном случае исключается появление вторичного характеристического излучения в зоне поглощения, т.к. фокусирующий электрод выполнен из материала с малым атомным номером, а кроме того, фокусирующий электрод может быть расположен не непосредственно в керамическом корпусе, а внутри металлического стакана, являющегося частью корпуса, или являться частью корпуса, что еще более понижает вероятность взаимодействия первичного излучения с материалом корпуса и расширяет возможности выбора различных вариантов типоразмеров корпуса.The proposed detector operates as follows. Penetrating ionizing radiation passes through the input window 2 and is absorbed in the area between the input window and the grid electrode 4 in the absorption zone 6, creating primary ionization in the working gas of the detector (for example, xenon). When a quantum is absorbed in the absorption zone 6, a cloud of slow electrons is formed, drifting in this zone towards the electroluminescence zone 7 under the influence of an electric field between the input window 2 and the grid electrode 4. The electric field in the absorption zone 6 is selected so that the electrons can gain energy, sufficient only for the excitation of xenon atoms. In this case, the focusing electrode 8, made in the form of a hollow cylinder with an inner diameter d _f , is guaranteed to exclude the ingress of electrons to the ceramic-metal casing of the detector and the losses determined by this, which ultimately affect the reliability of the light flux recorded at the detector output. The implementation of the focusing electrode from a material with a small atomic number excludes its fluorescence in the working energy range, which is also associated with the accuracy parameters of the device as a whole. It is obvious that the focusing electrode 8 can be mounted directly on the input window 2 and have the same potential with it, i.e. the gap Δ 0, or be isolated from the input window 2 and have different electric potentials with it, which is determined by the specific conditions of use of the detector and the tasks to be solved. Therefore, the presence or absence of a gap D for the invention is not critical. Obviously, this gap should not allow the exit of X-ray quanta or electrons to the detector body, which is ensured by the design of this part of the detector and a sufficiently small gap D
Thus, in this case, the appearance of secondary characteristic radiation in the absorption zone is excluded, since the focusing electrode is made of a material with a small atomic number, and in addition, the focusing electrode may not be located directly in the ceramic body, but inside the metal can, which is part of the body, or be part of the body, which further reduces the likelihood of the interaction of primary radiation with the material of the body and expands the possibilities of choosing various options for frame sizes.

Образованные в зоне поглощения 6 электроны проникают через сеточный электрод 4 в зону электролюминесценции 7, образованную сеточными электродами 4 и 5. Проходя через сеточный электрод 4 и ускоряясь электрическим полем сеточного электрода 5, электроны на длине свободного пробега последовательно возбуждают оптические уровни атомов ксенона с последующим образованием электролюминесцентных фотонов в ультрафиолетовой области спектра. Таким образом, в зоне электролюминесценции 7 электрическое поле выбрано с таким расчетом, чтобы первичные электроны могли только возбуждать, но не ионизировать атомы ксенона. Electrons formed in the absorption zone 6 penetrate through the grid electrode 4 into the electroluminescence zone 7 formed by the grid electrodes 4 and 5. Passing through the grid electrode 4 and accelerated by the electric field of the grid electrode 5, the electrons along the mean free path sequentially excite optical levels of xenon atoms with subsequent formation electroluminescent photons in the ultraviolet region of the spectrum. Thus, in the electroluminescence zone 7, the electric field is selected so that the primary electrons can only excite, but not ionize, xenon atoms.

Далее поток световых фотонов через выходное окно 3, выполненное, в частности, из кристалла MgF₂, поступает на фотоэлектронный умножитель (на чертеже не показан), где преобразуется в поток фотоэлектронов и регистрируется в виде импульса с анода ФЭУ.Next, the flux of light photons through the exit window 3, made, in particular, from a MgF ₂ crystal, is fed to a photoelectronic multiplier (not shown in the drawing), where it is converted into a flux of photoelectrons and recorded as a pulse from the PMT anode.

Очевидно, что важным фактором при эксплуатации детектора является исключение побочных явлений в процессе последовательного преобразования рентгеновских квантов в поток световых фотонов. С одной стороны это связано с согласованием фактического количества сцинтилляций с регистрируемым числом фотонов, на что непосредственно влияет имеющаяся в известных конструкциях, например в прототипе, нерабочая зона между вторым сеточным электродом и выходным окном. В этой зоне возможны различного рода явления, в конечном счете искажающие реальную картину процесса электролюминесценции, имеющей место в зоне 7. Obviously, an important factor in the operation of the detector is the elimination of side effects in the process of successive conversion of X-ray quanta into a stream of light photons. On the one hand, this is due to the coordination of the actual number of scintillations with the recorded number of photons, which is directly affected by the inoperative zone between the second grid electrode and the exit window available in known constructions, for example, in the prototype. Various kinds of phenomena are possible in this zone, which ultimately distort the real picture of the electroluminescence process taking place in zone 7.

Таким образом, в предлагаемой конструкции исключается один из основных недостатков прототипа, связанный с наличием газового промежутка между второй сеткой зоны люминесценции и выходным окном, который приводит к ослаблению светового потока, попадающего на фотокатод ФЭУ и к неравномерности его освещения. Устранение этих факторов с учетом статистического процесса образования и сбора светового потока существенно повышает такие рабочие характеристики детектора, как энергетическое разрешение, чувствительность и отношение полезного сигнала к фоновому. Thus, the proposed design eliminates one of the main disadvantages of the prototype associated with the presence of a gas gap between the second grid of the luminescence zone and the exit window, which leads to a weakening of the light flux incident on the photocathode of the PMT and to the unevenness of its lighting. Elimination of these factors, taking into account the statistical process of formation and collection of the light flux, significantly increases such detector performance as energy resolution, sensitivity, and the ratio of the useful signal to the background.

Кроме того, устранение из конструкции указанной нерабочей зоны исключает необходимость увеличения габаритов детектора, что в ряде случаев, например, когда детектор является составным блочным элементом регистрирующей измерительной системы, может являться весьма немаловажным фактором. In addition, the elimination of the specified non-working zone from the design eliminates the need to increase the dimensions of the detector, which in some cases, for example, when the detector is an integral block element of a recording measuring system, can be a very important factor.

Сеточный электрод 5 размещен непосредственно на внутренней (обращенной внутрь детектора) торцовой поверхности выходного окна 3 и жестко связан с этой поверхностью. Этим обеспечивается сохранение конфигурации сеточного электрода 5, представляющего собой конструкцию с весьма малой жесткостью. В прототипе автономность этого электрода могла приводить вследствие указанной малой жесткости, которая объективно следует из необходимости соотношения суммарной площади просветов (ячеек) к общей площади электрода, к провисанию электрода под действием электрического поля. Это определяло нарушение параллельности сеточных электродов и как следствие резко ухудшало его энергетическое разрешение. В предлагаемой конструкции этот недостаток отсутствует. Кроме того, жесткая связь сеточного электрода 5 с поверхностью выходного окна 3 позволяет выполнять его в виде металлических дорожек минимальной ширины (сотые доли миллиметра) с просветами в единицы миллиметров, что практически исключает негативный эффект "затенения" выходного окна этим электродом. Это устраняет потери светового потока и обеспечивает при прочих равных условиях равномерность засветки выходного окна 3, а следовательно, и фотокатода ФЭУ. The grid electrode 5 is placed directly on the inner (facing the inside of the detector) end surface of the output window 3 and is rigidly connected to this surface. This ensures the preservation of the configuration of the grid electrode 5, which is a structure with very low stiffness. In the prototype, the autonomy of this electrode could result from the indicated low stiffness, which objectively follows from the need to correlate the total area of gaps (cells) to the total area of the electrode, to the sagging of the electrode under the influence of an electric field. This determined a violation of the parallelism of the grid electrodes and, as a result, sharply worsened its energy resolution. In the proposed design, this disadvantage is absent. In addition, the rigid connection of the grid electrode 5 with the surface of the output window 3 allows it to be made in the form of metal tracks of minimum width (hundredths of a millimeter) with gaps of several millimeters, which virtually eliminates the negative effect of “shading” the output window with this electrode. This eliminates the loss of light flux and ensures, ceteris paribus, the uniformity of illumination of the output window 3, and hence the photocathode of the PMT.

Кроме того, на рабочие параметры и условия эксплуатации детектора существенно влияет конфигурация его корпуса. Как указывалось выше, предельно возможной является траектория электронов и квантов, которая соответствует обозначенной на чертеже оси N'N'', проходящей через лежащие в одной диаметральной плоскости по разные стороны от оси симметрии O'O'' крайние точки входного 2 и выходного 3 окон. Очевидно, что даже в этом случае электроны и кванты не должны попадать на поверхность корпуса 1 (9), следствием чего является генерация вторичного характеристического излучения, снижающая достоверность результатов измерения. In addition, the operating parameters and operating conditions of the detector are significantly affected by the configuration of its housing. As indicated above, the path of electrons and quanta is extremely possible, which corresponds to the axis N'N '' indicated in the drawing, passing through the extreme points of the input 2 and output 3 windows lying on the same diametrical plane on different sides from the symmetry axis O'O '' . Obviously, even in this case, electrons and quanta should not fall onto the surface of the housing 1 (9), which results in the generation of secondary characteristic radiation, which reduces the reliability of the measurement results.

Данное условие обеспечивается, если расстояние R_x от любой точки

на внутренней поверхности корпуса 1(9) до оси симметрии O'O'' превышает расстояние

от этой оси до оси N'N'' (соответствующая точка N₁) в каждом поперечном сечении на соответствующем удалении H_x от входного окна 2 детектора. Очевидно, что величина H_x должна находиться в пределах
H_ф ≅ H_х ≅ H_д
т. к. на участке, где имеет место H_x <H_ф, попадание электронов и квантов на поверхность корпуса исключает фокусирующий электрод 8, выполняющий роль экрана.This condition is provided if the distance R _x from any point

on the inner surface of the housing 1 (9) to the axis of symmetry O'O '' exceeds the distance

from this axis to the axis N'N '' (corresponding point N ₁ ) in each cross section at a corresponding distance H _x from the input window 2 of the detector. Obviously, the value of H _x must be within
H _f ≅ H _x ≅ H _d
since in the area where H _x <H _f takes place, the hit of electrons and quanta on the surface of the body excludes the focusing electrode 8, which acts as a screen.

Геометрическое построение, представленное на чертеже, из подобия треугольников ABC и AN₁C₁ определяет соотношение
N₁C₁ AC₁•BC/AC.The geometric construction shown in the drawing, from the similarity of triangles ABC and AN ₁ C ₁ determines the ratio
N ₁ C ₁ AC ₁ • BC / AC.

Поскольку AC₁ H_x, BC 1/2•(d_ф+ d_вх) и AC H_ф, то

,
откуда можно получить выражение для

:

А т. к. по определению

, то конечное выражение, обеспечивающее указанное выше условие, можно представлять в виде

при очевидном

при H_x= H_д.Since AC ₁ H _x , BC 1/2 • (d _f + d _in ) and AC H _f , then

,
where can I get the expression for

:

And since by definition

, then the final expression providing the above condition can be represented as

with obvious

at H _x = H _d .

Монотонное уменьшение величины R_x при уменьшении H_x соответствует конусообразной форме корпуса 1(9), которая предусматривает выполнение выходного окна 3 на большем основании конуса, что обеспечивает выполнение условия наименьшей "видимости" материала корпуса 1(9) из точки, находящейся на оси O'O'' детектора вблизи входного окна 2 и вне чувствительного объема. Тем самым для первичного излучения от изотропного источника, расположенного перед окном 2 детектора, создаются наилучшие условия непопадания квантов на внутреннюю поверхность металлокерамического корпуса.A monotonic decrease in R _x with a decrease in H _x corresponds to the conical shape of the housing 1 (9), which provides for the output window 3 to be formed on the larger base of the cone, which ensures that the condition of least “visibility” of the material of the housing 1 (9) from the point located on the O axis 'O''of the detector near input window 2 and outside the sensitive volume. Thus, for the primary radiation from an isotropic source located in front of the detector window 2, the best conditions are achieved for the quanta not to fall onto the inner surface of the ceramic-metal casing.

Кроме того, выполнение соотношения (1) позволяет выбрать оптимальную конфигурацию корпуса, обеспечивающую требуемые условия функционирования и позволяющую свести к минимуму возможные габариты и вес детектора, что существенно улучшает условия его эксплуатации. In addition, the fulfillment of relation (1) allows you to choose the optimal configuration of the housing, providing the required operating conditions and minimizing the possible dimensions and weight of the detector, which significantly improves its operating conditions.

Очевидно, что выполнение указанного соотношения (1) необходимо на длине H_x, определяемой из условия
H_ф≅ h_x≅ H_д
т. к. на участке O ≅H_x<H_ф поверхность корпуса 1(9) экранируется фокусирующим электродом 8.Obviously, the fulfillment of the indicated relation (1) is necessary on the length H _x determined from the condition
H _f ≅ h _x ≅ H _d
since on the site O ≅H _x <H _{f the} surface of the housing 1 (9) is shielded by a focusing electrode 8.

Возможность увеличения диаметра выходного окна 3, выполняемого на большем основании конусообразного корпуса 1(9) с размещением на внутренней поверхности этого окна жестко связанного с ним сеточного электрода 5, обеспечивает
увеличение светового потока на фотокатод ФЭУ;
уменьшение до минимума тени, создаваемой этим электродом на фотокатоде ФЭУ;
увеличение равномерности засветки фотокатода ФЭУ;
уменьшение влияния геометрического фактора (разбросе амплитуд сигнала ФЭУ из-за генерации световых фотонов на удалении от оси O'O'' детектора) на энергетические характеристики детектора.The possibility of increasing the diameter of the output window 3, performed on a larger base of the conical body 1 (9) with placement on the inner surface of this window of a rigidly connected mesh electrode 5, provides
increase in light flux to the photomultiplier photomultiplier;
minimizing the shadow created by this electrode on the photomultiplier PMT;
increasing the uniformity of illumination of the photomultiplier of the PMT;
a decrease in the influence of the geometric factor (the spread in the amplitudes of the PMT signal due to the generation of light photons at a distance from the detector's O'O 'axis) on the energy characteristics of the detector.

Предлагаемая согласно изобретению совокупность технических решений по конструкции и взаимосвязи основных функциональных элементов детектора позволяет значительно улучшить рабочие характеристики и условия эксплуатации газового электролюминесцентного детектора. Это заключается в достигнутом энергетическом разрешении (на линии MnK_α E 5,9 кэв) в пределах (8,5 9,0)% по сравнению с величиной (9,0.10,0)% в известных образцах и повышения стабильности положения пика амплитудного распределения импульсов с детектора.The set of technical solutions proposed by the invention for the design and interconnection of the main functional elements of the detector can significantly improve the performance and operating conditions of the gas electroluminescent detector. This consists in the achieved energy resolution (on the MnK _α E 5.9 keV line) within (8.5 9.0)% compared with the value (9.0.10.0)% in known samples and increased stability of the peak position of the amplitude distribution pulses from the detector.

Улучшение условий эксплуатации связано с оптимизацией геометрии корпуса, которая может быть в необходимых пределах согласована с конфигурацией блоков и систем, в составе которых работает детектор. Improving operating conditions is associated with optimizing the geometry of the housing, which can be coordinated to the extent necessary with the configuration of the units and systems that comprise the detector.

По данному изобретению разработана конструкторская и технологическая документация, согласно которой изготовлена опытная партия газовых электролюминесцентных детекторов, проведен комплекс испытаний с получением положительных результатов. According to this invention, design and technological documentation has been developed, according to which an experimental batch of gas electroluminescent detectors has been manufactured, a set of tests has been carried out to obtain positive results.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в существенном повышении рабочих параметров и улучшении условий эксплуатации электролюминесцентных детекторов, что значительно расширяет возможности реализации различных научно-технических программ в таких областях, как рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, рентгеновская астрономия, геология, космическая техника, ядерная энергетика, экология. The technical and economic efficiency of the invention is to significantly increase operating parameters and improve the operating conditions of electroluminescent detectors, which greatly expands the possibilities for implementing various scientific and technical programs in such areas as X-ray diffraction and X-ray spectral analysis, X-ray astronomy, geology, space technology, nuclear energy, ecology .

Claims

A gas electroluminescent detector with a uniform electric field in the luminescence zone, containing a gas-filled cermet body having the shape of a body of revolution, an input and output window in the form of parallel disks hermetically attached to the opposite ends of the body and made respectively of a material transparent to ionizing radiation, and a material transparent for radiation with a luminescence spectrum of the gas filler, and the diameter d of the input window is less than the diameter d of the output window, two mesh Electrode, the first of which forms an entrance window of the absorption zone, and a second grid electrode electroluminescence zone, and a focusing electrode disposed in the absorption zone, characterized in that the focusing electrode is formed as a hollow cylinder coaxial housing inner diameter d _f> d _in and with a height h _f of material having a small atomic number, the second grid electrode is placed on the end surface of the disk of the output window facing the detector inside and is rigidly connected to this surface, and the distance R _x from the detector axis to the inner surface of the housing in each cross section at the corresponding distance H _x from the input window, defined by the ratio
H _f ≅ H _x ≅ H _d
where H _d is the height of the detector;
H _f = h _f + Δ, Δ - the gap between the focusing electrode and the input window, is determined from the condition

and monotonically decreases with decreasing value of H _x .