RU2311664C1

RU2311664C1 - Detector of ionizing radiation with nanotubes as sensitive element

Info

Publication number: RU2311664C1
Application number: RU2006119614/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Викторович Ткал (RU); Евгений Викторович Ткаля; Игорь В чеславович Бодренко (RU); Игорь Вячеславович Бодренко
Original assignee: Алгодайн, Ллс
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2007-11-27

Abstract

FIELD: engineering of devices for finding ionizing radiations, in particular, detectors of ionizing radiations with nanotubes as sensitive elements.

SUBSTANCE: claimed detector of ionizing radiation contains electronic control block; body made of material which is transparent to ionizing radiation being measured; matrix of sensitive elements, positioned in the body in m rows n columns, where m and n - integer numbers, each sensitive element contains at least one nanotube and two electrodes, where ends of nanotubes of each sensitive element are connected to corresponding electrodes; films of isolating material, positioned in pairs on opposite sides of rows and columns of sensitive elements and meant for positioning contact elements and electric layout.

EFFECT: creation of detector of ionizing radiation, structural realization of which allows to ensure high spatial and angular resolution with preservation of low geometrical dimensions of detector which operates at low voltages, which allows visualization of resulting tracks of ionizing radiation and spectrum of energies of ionizing particles.

9 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к приборам для детектирования ионизирующих излучений, а в частности к детектору ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента.The present invention relates to devices for detecting ionizing radiation, and in particular to an ionizing radiation detector with nanotubes as a sensing element.

Изобретение может быть использовано для детектирования ионизирующего излучения, для определения направления на источник излучения, для измерения плотности потока ионизирующего излучения и энергии ионизирующей частицы.The invention can be used to detect ionizing radiation, to determine the direction of the radiation source, to measure the density of the flow of ionizing radiation and the energy of the ionizing particle.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Для детектирования заряженных частиц и других видов ионизирующих излучений используются детекторы ионизирующих излучений. Наиболее известными детекторами являются искровая камера, счетчик Гейгера, а также полупроводниковые детекторы на основе полупроводниковых диодов.To detect charged particles and other types of ionizing radiation, ionizing radiation detectors are used. The most famous detectors are a spark chamber, a Geiger counter, as well as semiconductor detectors based on semiconductor diodes.

Недостатком всех существующих приборов является относительно низкое пространственное и соответственно угловое разрешение либо невозможность измерять направление на источник излучения. Кроме того, современные детекторы имеют размеры порядка сотен микрон и более, то есть являются макроскопическими устройствами.The disadvantage of all existing devices is the relatively low spatial and, accordingly, angular resolution or the inability to measure the direction to the radiation source. In addition, modern detectors have sizes of the order of hundreds of microns or more, that is, they are macroscopic devices.

Для детектирования заряженных частиц и других типов ионизирующих излучений широко используется счетчик Гейгера, являющийся разновидностью газонаполненных детекторов ионизационного типа (Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И.Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", Москва, Издательство МГУ, 2005). Указанный счетчик содержит цилиндрический конденсатор с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра. Это обеспечивает вблизи анода высокую напряженность электрического поля. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряженность поля вблизи нити-анода может достигать 40000 вольт/см. Пространство внутри трубки герметизировано и заполнено газом, например гелием или аргоном. Принцип действия указанного счетчика состоит в следующем. Частицы ионизирующего излучения, попадая внутрь детектора, производят первичную ионизацию атомов газа. Образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы. Электроны движутся в сторону положительно заряженной проволоки. Благодаря высокому положительному напряжению на проволоке электроны разгоняются и, сталкиваясь с другими атомами, ионизуют их. Возникает поток электронов, который регистрируется в виде импульса тока. Счетчик, однако, не позволяет идентифицировать частицы ионизирующего излучения, определить направление их движения или их энергию.For the detection of charged particles and other types of ionizing radiation, a Geiger counter is widely used, which is a type of gas-filled ionization type detectors (B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. "Particles and Nuclei. Experiment", Moscow, Publishing House Moscow State University, 2005). The specified counter contains a cylindrical capacitor with an anode in the form of a thin metal thread along the axis of the cylinder. This provides a high electric field strength near the anode. With a potential difference between the anode and cathode of 1000 volts, the field strength near the anode filament can reach 40,000 volts / cm. The space inside the tube is sealed and filled with gas, such as helium or argon. The principle of operation of the specified counter is as follows. Particles of ionizing radiation, getting inside the detector, produce the primary ionization of gas atoms. Free electrons and positively charged ions are formed. Electrons move towards a positively charged wire. Due to the high positive voltage on the wire, the electrons accelerate and collide with other atoms, ionize them. A stream of electrons arises, which is recorded as a current pulse. The counter, however, does not allow the identification of particles of ionizing radiation, to determine the direction of their movement or their energy.

Известна также искровая камера, используемая для детектирования ионизирующего излучения (см., например, Б.С.Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И.Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М., Издательство МГУ, 2005). Камера содержит трехмерную координатную сетку, образованную взаимно перпендикулярными катодными и анодными проволочками, на которые подается высокое напряжение около 10 кВ и более. Камера заполнена инертным газом. При прохождении заряженной частицы через камеру в результате ионизации газа образуется облако электрон-ионных пар, так называемый трек. Первичные электроны трека движутся по направлению к анодной проволочке и ионизуют газ, приводя к образованию целой лавины вторичных электронов. Когда лавина достигает проволочки, в ней возникает импульс тока, регистрируемый известным способом. Компьютер обрабатывает сигналы импульсов тока, поступающие от разных проволочек, и по программе рассчитывает траекторию заряженной частицы, а также ее энергию по длине трека либо по кривизне трека в магнитном поле.Also known is the spark chamber used to detect ionizing radiation (see, for example, B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. "Particles and Nuclei. Experiment", M., Moscow State University, 2005) . The camera contains a three-dimensional coordinate grid formed by mutually perpendicular cathode and anode wires, to which a high voltage of about 10 kV or more is applied. The chamber is filled with inert gas. When a charged particle passes through the chamber as a result of gas ionization, a cloud of electron-ion pairs is formed, the so-called track. The primary electrons of the track move towards the anode wire and ionize the gas, leading to the formation of an entire avalanche of secondary electrons. When an avalanche reaches a wire, a current pulse arises in it, recorded in a known manner. The computer processes the signals of current pulses coming from different wires, and the program calculates the trajectory of a charged particle, as well as its energy along the length of the track or the curvature of the track in a magnetic field.

Указанный датчик имеет достаточно большие размеры, что не позволяет использовать его в местах, где возможно использование датчиков только микроскопических размеров. Напряжение, подаваемое на проволочки, является очень высоким. Расстояние между элементами координатной сетки и соответственно пространственное разрешение искровой камеры не могут быть меньше, чем характерная длина, т.е. длина, на которой формируется лавина вторичных электронов. Обычно пространственное разрешение искровой камеры составляет около 0.3 мм.The specified sensor has a sufficiently large size, which does not allow its use in places where it is possible to use sensors of only microscopic sizes. The voltage applied to the wires is very high. The distance between the elements of the coordinate grid and, accordingly, the spatial resolution of the spark chamber cannot be less than the characteristic length, i.e. the length at which an avalanche of secondary electrons is formed. Typically, the spatial resolution of the spark chamber is about 0.3 mm.

В последнее время для детектирования различных внешних воздействий используются датчика, в которых в качестве чувствительного элемента используются углеродные нанотрубки.Recently, sensors have been used to detect various external influences, in which carbon nanotubes are used as a sensitive element.

В качестве ближайшего технического решения предложен датчик, использующий углеродные нанотрубки (см., например, патент Японии JP 2003227808), содержащий пластину из изолирующего материала, на которой на расстоянии друг от друга закреплены две электродные части, выполненные в виде тонких пленок, между которыми размещены углеродные нанотрубки, установленные в плоскости электродных частей параллельно друг другу и обеспечивающие электрическое соединение указанных электродных частей. Указанные электродные части включены в электрическую цепь и к ним подведено внешнее управляющее напряжение.As the closest technical solution, a sensor is proposed that uses carbon nanotubes (see, for example, Japanese patent JP 2003227808), containing a plate of insulating material, on which two electrode parts made in the form of thin films are fixed at a distance from each other, between which are placed carbon nanotubes installed in the plane of the electrode parts parallel to each other and providing electrical connection of these electrode parts. These electrode parts are included in the electrical circuit and an external control voltage is supplied to them.

Принцип работы датчика основан на том, что электрические характеристики углеродных нанотрубок изменяются при изменении внешних воздействий, таких как свет, магнетизм, давление, деформация, искривление, температура, атмосферный газ, атмосферное давление. Указанное изменение электрических характеристик может быть измерено в виде электрического сигнала в электрической цепи. Поскольку проводимость нанотрубок меняется при изменении их формы, при деформации тестируемой поверхности изменяется ток в цепи датчика. Изменение тока регистрируется амперметром. Указанный датчик имеет плоскую конструкцию, поэтому он может быть использован только для регистрации излучения, но не может быть использован для пространственного и углового разрешения. Ионизирующая частица, движущаяся перпендикулярно плоскости датчика, будет либо пролетать между нанотрубками, не взаимодействуя с ними, либо проходить только через одну нанотрубку, создавая очень мало первичных электронов. При этом пространственное разрешение не может быть меньше геометрических размеров датчика, т.е. его длины и ширины, поскольку все нанотрубки подключены к одному контакту. Ионизирующая частица, движущаяся перпендикулярно направлению нанотрубок, но в плоскости датчика, будет взаимодействовать с большим числом нанотрубок. Но получить пространственное разрешение также не удастся. Таким образом, невозможно использовать указанный датчик в качестве чувствительно элемента для детектора ионизирующих излучений, а также для определения с высокой точностью направления на источник излучения.The principle of operation of the sensor is based on the fact that the electrical characteristics of carbon nanotubes change when external influences change, such as light, magnetism, pressure, deformation, curvature, temperature, atmospheric gas, atmospheric pressure. The indicated change in electrical characteristics can be measured as an electrical signal in an electrical circuit. Since the conductivity of nanotubes changes with a change in their shape, the current in the sensor circuit changes with deformation of the test surface. The change in current is recorded by an ammeter. The specified sensor has a flat design, so it can only be used to detect radiation, but cannot be used for spatial and angular resolution. An ionizing particle moving perpendicular to the plane of the sensor will either fly between the nanotubes without interacting with them, or pass through only one nanotube, creating very few primary electrons. In this case, the spatial resolution cannot be less than the geometric dimensions of the sensor, i.e. its length and width, since all nanotubes are connected to one contact. An ionizing particle moving perpendicular to the direction of the nanotubes, but in the plane of the sensor, will interact with a large number of nanotubes. But obtaining spatial resolution will also fail. Thus, it is impossible to use the specified sensor as a sensitive element for the detector of ionizing radiation, as well as to determine with high accuracy the direction to the radiation source.

Краткое изложение существа изобретенияSummary of the invention

Технической задачей настоящего изобретения является создание детектора ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, конструктивное выполнение которого позволит обеспечить высокое пространственное и угловое разрешение при сохранении малых геометрических размеров детектора, работающего при низких напряжениях, сигналы которого могут быть подвернуты компьютерной обработке для визуализации полученных треков ионизирующего излучения, а также позволит измерять плотности потока ионизирующего излучения и спектр энергий ионизирующих частиц.An object of the present invention is to provide an ionizing radiation detector with nanotubes as a sensitive element, the design of which will provide high spatial and angular resolution while maintaining the small geometric dimensions of the detector operating at low voltages, the signals of which can be twisted to computerize to visualize the obtained tracks of ionizing radiation, and also allows you to measure the flux density of ionizing radiation and energy spectrum of ionizing particles.

Поставленная задача решена путем создания детектора ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, который включен в электрическую цепь, содержащую блок электронного управления, согласно изобретению детектор ионизирующего излучения содержитThe problem is solved by creating an ionizing radiation detector with nanotubes as a sensitive element, which is included in an electric circuit containing an electronic control unit, according to the invention, the ionizing radiation detector contains

корпус из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению,a casing made of a material transparent to the measured ionizing radiation,

матрицу чувствительных элементов, расположенных в корпусе в m рядов n столбцов, где каждый из чувствительных элементов содержит по меньшей мере одну нанотрубку и два электрода, причем концы нанотрубок каждого чувствительного элемента соединены с соответствующими электродами так, что минимальное расстояние между осями нанотрубок равно сумме двух радиусов соседних нанотрубок, а минимальное расстояние между чувствительными элементами выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами,a matrix of sensitive elements located in m rows of n columns, where each of the sensitive elements contains at least one nanotube and two electrodes, the ends of the nanotubes of each sensitive element being connected to the corresponding electrodes so that the minimum distance between the axes of the nanotubes is equal to the sum of two radii neighboring nanotubes, and the minimum distance between the sensitive elements is selected so that there is no electrical contact between the sensitive elements,

пленки из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов и столбцов чувствительных элементов и предназначенные для размещения контактных элементов и электрической разводки, по которым осуществляется электрическое соединение электродов чувствительных элементов с блоком электронного управления,films of insulating material placed in pairs on opposite sides of rows and columns of sensitive elements and designed to accommodate contact elements and electrical wiring through which the electrodes of the sensitive elements are electrically connected to the electronic control unit,

при этом упомянутый блок электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов.wherein said electronic control unit is designed to supply voltage to the electrodes of the sensitive elements and detect current pulses arising in the sensitive elements during the formation of free electrons and holes at the moment of passage through the sensitive elements of ionizing radiation, to determine the path of the ionizing particle and to determine the direction to the radiation source and the energy of an ionizing particle by computer processing the current pulses from the sensing elements.

Целесообразно, чтобы в качестве нанотрубок были использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из проводников, полупроводников и диэлектриков.It is advisable that nanotubes selected from the group consisting of conductors, semiconductors and dielectrics be used as nanotubes.

Полезно, чтобы в качестве нанотрубок были использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из углеродных нанотрубок и неуглеродных нанотрубок, а также углеродно/неуглеродные нанотрубки, содержащие примеси, обеспечивающие максимальное поглощение нейтронов и фотонов заданного диапазона энергий.It is useful that nanotubes be selected from the group consisting of carbon nanotubes and non-carbon nanotubes, as well as carbon / non-carbon nanotubes containing impurities that provide maximum absorption of neutrons and photons of a given energy range.

Предпочтительно, чтобы в качестве нанотрубок были использованы одностенные или многостенные нанотрубки.Preferably, single-walled or multi-walled nanotubes are used as nanotubes.

Полезно, чтобы в качестве неуглеродных нанотрубок были использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из нитрид-борных нанотрубок, кремниевых нанотрубок, нитрид-галиевых нанотрубок.It is useful that, as non-carbon nanotubes, nanotubes selected from the group consisting of boron nitride nanotubes, silicon nanotubes, galium nitride nanotubes are used.

Предпочтительно, чтобы многостенная нанотрубка содержала внешнюю нанотрубку и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку, при этом внешняя и по меньшей мере одна внутренняя нанотрубки подключены параллельно между собой и к электродам чувствительного элемента.Preferably, the multi-walled nanotube contains an outer nanotube and at least one inner nanotube, while the outer and at least one inner nanotube are connected in parallel with each other and to the electrodes of the sensing element.

Полезно также, чтобы многостенная нанотрубка содержала внешнюю нанотрубку и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку, при этом внешняя и по меньшей мере одна внутренняя нанотрубки подключены последовательно между собой и к электродам чувствительного элемента.It is also useful that the multi-walled nanotube contains an external nanotube and at least one internal nanotube, while the external and at least one internal nanotube are connected in series with each other and to the electrodes of the sensing element.

Полезно, чтобы многостенная нанотрубка содержала внешнюю нанотрубку и множество внутренних нанотрубок, при этом внешняя нанотрубка и часть множества внутренних нанотрубок подключены параллельно между собой и к электродам чувствительного элемента, а нанотрубки другой части множества внутренних нанотрубок подключены между собой последовательно и подключены к электродам чувствительного элемента.It is useful that a multi-walled nanotube contains an external nanotube and many internal nanotubes, while the external nanotube and part of the set of internal nanotubes are connected in parallel with each other and to the electrodes of the sensing element, and the nanotubes of the other part of the set of internal nanotubes are connected in series and connected to the electrodes of the sensitive element.

Целесообразно, чтобы детектор содержал материал, обеспечивающий максимальное поглощение нейтронов или фотонов заданного диапазона энергий и размещенный в области между чувствительными элементами детектора и между нанотрубками, причем указанный материал размещен между чувствительными элементами детектора таким образом, чтобы не создавать электрического контакта между чувствительными элементами детектора.It is advisable that the detector contains a material that provides maximum absorption of neutrons or photons of a given energy range and is located in the region between the sensitive elements of the detector and between the nanotubes, and this material is placed between the sensitive elements of the detector so as not to create electrical contact between the sensitive elements of the detector.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения плотности потока ионизирующего излучения, определение траектории частицы с высоким пространственным разрешением, направления на источник излучения с высоким угловым разрешением, а также возможность измерения энергии ионизирующей частицы.The technical result of the proposed invention is the ability to measure the flux density of ionizing radiation, determining the trajectory of a particle with high spatial resolution, directions to a radiation source with high angular resolution, as well as the ability to measure the energy of an ionizing particle.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:

Фиг.1 изображает схему детектора ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента согласно изобретению.Figure 1 depicts a diagram of an ionizing radiation detector with nanotubes as a sensing element according to the invention.

Фиг.2 изображает чувствительный элемента детектора, подключенный к цепи блока электронного управления согласно изобретению.FIG. 2 shows a detector element connected to a circuit of an electronic control unit according to the invention.

Фиг.3а, 3b изображают схемы последовательного и параллельного соединения двустенной нанотрубки согласно изобретению.Figa, 3b depict a series and parallel connection of a double-walled nanotube according to the invention.

Фиг.4а, 4b, 4с изображают схемы подключения трехстенных нанотрубок согласно изобретению.Figa, 4b, 4c depict the connection diagrams of three-walled nanotubes according to the invention.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретенияDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Детектор 1 (Фиг.1) ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента содержит корпус 2 из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению, и матрицу 3 чувствительных элементов 4, расположенных в корпусе 2 в m рядов n столбцов. Каждый из чувствительных элементов 4 содержит по меньшей мере одну нанотрубку 5 и два электрода 6, 7 (Фиг.2). Концы нанотрубок 5 каждого чувствительного элемента 4 соединены с соответствующими электродами 6, 7 так, что минимальное расстояние «а» между осями о-о нанотрубок 4 равно сумме двух радиусов r1 и r2 соседних нанотрубок 4. Следует отметить, что радиусы нанотрубов в общем случае могут отличаться между собой. Минимальное расстояние b (Фиг.1) между чувствительными элементами 4 выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами 4.The detector 1 (Figure 1) of ionizing radiation with nanotubes as a sensing element comprises a housing 2 made of a material transparent to the measured ionizing radiation, and a matrix 3 of sensing elements 4 located in the housing 2 in m rows of n columns. Each of the sensitive elements 4 contains at least one nanotube 5 and two electrodes 6, 7 (Figure 2). The ends of the nanotubes 5 of each sensing element 4 are connected to the corresponding electrodes 6, 7 so that the minimum distance "a" between the axes of the oo nanotubes 4 is equal to the sum of the two radii r1 and r2 of the adjacent nanotubes 4. It should be noted that the radii of the nanotubes in the general case can differ among themselves. The minimum distance b (FIG. 1) between the sensing elements 4 is selected so that there is no electrical contact between the sensing elements 4.

Детектор 1 содержит также четыре пленки 8, 9, 10, 11 из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов m и столбцов n чувствительных элементов 4 и предназначенные для размещения контактных элементов 12 и электрической разводки 13, по которым осуществляется электрическое соединение электродов 6, 7 чувствительных элементов 4 с блоком 14 электронного управления посредством кабеля 15.The detector 1 also contains four films 8, 9, 10, 11 of insulating material, placed in pairs on opposite sides of the rows m and columns n of the sensing elements 4 and designed to accommodate the contact elements 12 and the electrical wiring 13, through which the electrodes 6 are electrically connected, 7 sensors 4 with electronic control unit 14 via cable 15.

Указанный блок 14 электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов. Блок 14 электронного управления содержит блок 16 обработки сигналов, поступающих в блок 14 электронного управления от чувствительных элементов 4, и источник 17 питания, предназначенный для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и для питания блока 16 обработки сигналов.The specified electronic control unit 14 is designed to supply voltage to the electrodes of the sensitive elements and detect current pulses arising in the sensitive elements during the formation of free electrons and holes at the moment of passage through the sensitive elements of ionizing radiation, to determine the path of the ionizing particle and to determine the direction to the radiation source and energy of an ionizing particle by computer processing of current pulses from sensitive elements. The electronic control unit 14 comprises a processing unit 16 for signals received by the electronic control unit 14 from the sensing elements 4 and a power source 17 for supplying voltage to the electrodes of the sensitive elements and for supplying the signal processing unit 16.

При этом каждый чувствительный элемент 4 подключен к соответствующим клеммам блока 14 электронного управления.Moreover, each sensor 4 is connected to the corresponding terminals of the electronic control unit 14.

В указанном детекторе 1 в качестве нанотрубок 5 могут быть использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из нанотрубок, обладающих свойствами проводников, полупроводников и диэлектриков в зависимости от типа регистрируемого излучения и его энергии.In said detector 1, nanotubes 5 selected from the group consisting of nanotubes having the properties of conductors, semiconductors, and dielectrics depending on the type of detected radiation and its energy can be used as nanotubes 5.

В качестве нанотрубок использованы нанотрубки, выбранные из группы, состоящей из углеродных нанотрубок и неуглеродных нанотрубок, например нитрид-борных нанотрубок, кремниевых нанотрубок, нитрид-галиевых нанотрубок, или другие, а также углеродно/неуглеродные нанотрубки, содержащие известные примеси, обеспечивающие максимальное поглощение нейтронов и фотонов заданного диапазона энергий.Nanotubes used are nanotubes selected from the group consisting of carbon nanotubes and non-carbon nanotubes, for example, nitride-boron nanotubes, silicon nanotubes, galium nitride nanotubes, or others, as well as carbon / non-carbon nanotubes containing known impurities that provide maximum neutron absorption and photons of a given energy range.

Могут быть использованы одностенные и многостенные нанотрубки.Single-walled and multi-walled nanotubes can be used.

Многостенная нанотрубка 5 (Фиг.3а) содержит внешнюю нанотрубку 18 и по меньшей мере одну внутреннюю нанотрубку 19. В описываемом варианте воплощения внешняя нанотрубка 18 и одна внутренняя нанотрубка 19 подключены параллельно между собой и подключены параллельно к электродам 6, 7 чувствительного элемента.A multi-walled nanotube 5 (Fig. 3a) comprises an outer nanotube 18 and at least one inner nanotube 19. In the described embodiment, the outer nanotube 18 and one inner nanotube 19 are connected in parallel and connected in parallel to the electrodes 6, 7 of the sensing element.

Возможен вариант, когда многостенная нанотрубка 5 (Фиг.3b) содержит внешнюю нанотрубку 20 и одну внутреннюю нанотрубку 21, при этом внешняя нанотрубка 20 и внутренняя нанотрубка 21 подключены последовательно между собой, причем нанотрубка 20 подключена к электроду 7, а внутренняя нанотрубка 21 подключена к электроду 6 чувствительного элемента.It is possible that the multi-walled nanotube 5 (Fig. 3b) contains an outer nanotube 20 and one inner nanotube 21, while the outer nanotube 20 and the inner nanotube 21 are connected in series with each other, with the nanotube 20 connected to the electrode 7 and the inner nanotube 21 connected to the electrode 6 of the sensing element.

Возможен также вариант воплощения, в котором многостенная нанотрубка 5 (Фиг.4а, Фиг.4b, Фиг.4с) содержит внешнюю нанотрубку 22 и множество внутренних нанотрубок 23, 24, при этом возможно, чтобы внешняя нанотрубка 22 и часть множества внутренних нанотрубок 23, 24 (Фиг.4b) были подключены параллельно между собой и подключены параллельно к электродам чувствительного элемента, а нанотрубки 23, 24 (Фиг.4а) другой части множества внутренних нанотрубок подключены между собой последовательно.An embodiment is also possible in which the multi-walled nanotube 5 (Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c) comprises an external nanotube 22 and a plurality of internal nanotubes 23, 24, while it is possible that the external nanotube 22 and part of a plurality of internal nanotubes 23, 24 (Fig. 4b) were connected in parallel with each other and connected in parallel to the electrodes of the sensing element, and the nanotubes 23, 24 (Fig. 4a) of another part of the plurality of internal nanotubes were connected in series.

Возможен вариант выполнения, когда детектор содержит материал 25 (Фиг.1), обеспечивающий максимальное поглощение нейтронов или фотонов заданного диапазона энергий и размещенный в корпусе между чувствительными элементами 4 детектора и между нанотрубками, причем указанный материал размещен между чувствительными элементами детектора таким образом, чтобы не создавать электрического контакта между чувствительными элементами 4 детектора.An embodiment is possible when the detector contains material 25 (FIG. 1), which provides maximum absorption of neutrons or photons of a given energy range and is placed in the housing between the sensitive elements 4 of the detector and between the nanotubes, and this material is placed between the sensitive elements of the detector so that create electrical contact between the sensing elements 4 of the detector.

Работа детектора 1 (Фиг.1) ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента осуществляется следующим образом.The operation of the detector 1 (Figure 1) of ionizing radiation with nanotubes as a sensitive element is as follows.

Источник 26 ионизирующего излучения расположен перед рабочей поверхностью детектора, как показано на Фиг.1. Детектор имеет две рабочие поверхности, т.е. это поверхности, на которых не размещены пленки с контактными элементами и электрической разводкой.An ionizing radiation source 26 is located in front of the working surface of the detector, as shown in FIG. The detector has two working surfaces, i.e. these are surfaces on which films with contact elements and electrical wiring are not placed.

Рассмотрим сначала случай, когда в качестве ионизирующего излучения выступают заряженные частицы, например протоны, электроны, альфа-частицы и т.д. Когда заряженная ионизирующая частица попадает в детектор, пересекает расположенные внутри детектора чувствительные элементы 4, которые образуют трехмерную матрицу. Проходя через нанотрубки чувствительного элемента, заряженная частица ионизует расположенные вдоль траектории ее движения атомы вещества/веществ, из которых состоит нанотрубка. При ионизации атомов образуются свободные электроны и дырки, то есть свободные носители заряда. Количество образовавшихся свободных носителей заряда зависит от ионизирующей способности излучения, т.е. от типа проходящей заряженной ионизирующей частицы и ее энергии и материала, из которого выполнена нанотрубка. К концам каждой нанотрубки подведено управляющее напряжение от блока 14 электронного управления.We first consider the case when charged particles, such as protons, electrons, alpha particles, etc., act as ionizing radiation. When a charged ionizing particle enters the detector, it intersects the sensitive elements 4 located inside the detector, which form a three-dimensional matrix. Passing through the nanotubes of the sensing element, the charged particle ionizes the atoms of the substance / substances that make up the nanotube, located along the trajectory of its motion. During atomic ionization, free electrons and holes are formed, that is, free charge carriers. The amount of free charge carriers formed depends on the ionizing ability of the radiation, i.e. on the type of passing charged ionizing particle and its energy and the material from which the nanotube is made. The control voltage from the electronic control unit 14 is connected to the ends of each nanotube.

Ионизация атомов нанотрубки вызывает импульс тока в цепи (Фиг.2) чувствительного элемента, содержащего эту нанотрубку, который регистрируется и обрабатывается блоком электронного управления.The ionization of the atoms of the nanotube causes a current pulse in the circuit (Figure 2) of the sensing element containing this nanotube, which is recorded and processed by the electronic control unit.

Проходя через чувствительные элементы детектора, заряженная ионизирующая частица вызывает последовательные импульсы тока в тех чувствительных элементах, которые расположены на ее траектории. Импульсы тока поступают для обработки в блок электронного управления. Поскольку чувствительные элементы образуют трехмерную матрицу, можно рассчитать траекторию заряженной частицы внутри детектора. Координаты (X₁,Y₁,Z₁) первой точки А1 траектории определяются при прохождении заряженной частицы через пару взаимно перпендикулярных чувствительных элементов 4, находящихся вблизи рабочей поверхности детектора и расположенных так, что один из них параллелен оси X, а другой параллелен оси Y (Фиг.1). Координаты (X₂,Y₂,Z₂) второй точки А2 определяются при прохождении заряженной частицы через следующую пару взаимно перпендикулярных чувствительных элементов 4, лежащих на траектории ее движения, и т.д. Блок 14 электронного управления с помощью компьютерной программы обрабатывает поступающие данные о координатах заряженной ионизирующей частицы и рассчитывает ее траекторию, а соответственно, и направление на источник 26 излучения. При обработке импульсов тока, поступающих в блок 14 электронного управления, можно определить число образовавшихся свободных электронов и дырок, что, в свою очередь, позволяет оценить ионизационные потери частицы и определить тип и энергию заряженной ионизирующей частицы.Passing through the sensitive elements of the detector, a charged ionizing particle causes successive current pulses in those sensitive elements that are located on its trajectory. The current pulses are received for processing in the electronic control unit. Since the sensitive elements form a three-dimensional matrix, the trajectory of a charged particle inside the detector can be calculated. The coordinates (X ₁ , Y ₁ , Z ₁ ) of the first point A1 of the trajectory are determined when a charged particle passes through a pair of mutually perpendicular sensing elements 4 located near the working surface of the detector and located so that one of them is parallel to the X axis and the other parallel to the Y axis (Figure 1). The coordinates (X ₂ , Y ₂ , Z ₂ ) of the second point A2 are determined when a charged particle passes through the next pair of mutually perpendicular sensitive elements 4 lying on the trajectory of its movement, etc. The electronic control unit 14, using a computer program, processes incoming data about the coordinates of a charged ionizing particle and calculates its trajectory, and, accordingly, its direction to the radiation source 26. When processing current pulses entering the electronic control unit 14, it is possible to determine the number of free electrons and holes formed, which, in turn, allows one to estimate the ionization loss of a particle and determine the type and energy of a charged ionizing particle.

Рассмотрим теперь случай, когда в качестве ионизирующего излучения детектируют фотоны. В отличие от описанных выше заряженных частиц фотон с большой вероятностью может поглотиться при первом же столкновении с нанотрубкой чувствительного элемента. В результате столкновения образуется свободный электрон. По закону сохранения энергии-импульса энергия и импульс свободного электрона однозначно связаны с энергией и импульсом поглотившегося фотона. Далее образовавшийся свободный электрон детектируется в детекторе как заряженная частица, и ее энергия и траектория определяются, как было описано выше для заряженной ионизирующей частицы. По энергии и направлению движения этого электрона блок электронного управления рассчитывает энергию и траекторию движения первичного фотона, т.е. направление на источник излучения.Let us now consider the case when photons are detected as ionizing radiation. In contrast to the charged particles described above, a photon is very likely to be absorbed during the first collision with a nanotube of a sensitive element. As a result of the collision, a free electron is formed. According to the law of conservation of energy-momentum, the energy and momentum of a free electron are uniquely associated with the energy and momentum of an absorbed photon. Next, the formed free electron is detected in the detector as a charged particle, and its energy and trajectory are determined, as described above for a charged ionizing particle. Based on the energy and direction of motion of this electron, the electronic control unit calculates the energy and trajectory of the primary photon, i.e. direction to the radiation source.

Использование нанотрубок, допированных различными химическими веществами, позволяет создавать чувствительные элементы, которые избирательно реагируют только на ионизирующее излучение определенного типа и/или энергии, т.е. на определенную длину волны ионизирующего излучения.The use of nanotubes doped with various chemicals allows one to create sensitive elements that selectively respond only to ionizing radiation of a certain type and / or energy, i.e. at a specific wavelength of ionizing radiation.

Детектор ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента имеет следующие характеристики:The ionizing radiation detector with nanotubes as a sensitive element has the following characteristics:

- высокое пространственное разрешение - от 10 нм и ниже. Пространственное разрешение зависит от поперечного размера чувствительного элемента и расстояния между чувствительными элементами;- high spatial resolution - from 10 nm and below. Spatial resolution depends on the transverse size of the sensor and the distance between the sensors;

- угловая разрешающая способность детектора зависит от длина пробега заряженной ионизирующей частицы в детекторе и равна отношению величины пространственного разрешения к длине пробега. В свою очередь, длина пробега зависит от энергии ионизирующей частицы и вещества чувствительного элемента.- the angular resolution of the detector depends on the mean free path of a charged ionizing particle in the detector and is equal to the ratio of the spatial resolution to the mean free path. In turn, the mean free path depends on the energy of the ionizing particle and the substance of the sensing element.

Например, если пробег заряженной частицы составляет в детекторе около 1 см, а пространственное разрешение составляет около 100 нм, то угловое разрешение детектора составляет около 10^-5 радиан;For example, if the range of a charged particle in the detector is about 1 cm, and the spatial resolution is about 100 nm, then the angular resolution of the detector is about 10 ^-5 radians;

- размеры детектора определяются длиной нанотрубок и могут варьироваться в очень широких пределах - от 100 нм до 1 см, в зависимости от требований, при этом толщина детектора зависит от поставленной задачи;- the dimensions of the detector are determined by the length of the nanotubes and can vary within very wide limits - from 100 nm to 1 cm, depending on the requirements, while the thickness of the detector depends on the task;

- временная разрешающая способность составляет около 1 пс. Она зависит от времени релаксации вторичных электронов и дырок, появляющихся в веществе нанотрубок при ионизации.- temporary resolution is about 1 ps. It depends on the relaxation time of secondary electrons and holes that appear in the substance of nanotubes during ionization.

Claims

1. The ionizing radiation detector with nanotubes as a sensitive element, which is included in an electric circuit containing an electronic control unit, characterized in that it contains a housing made of a material transparent to the measured ionizing radiation, a matrix of sensitive elements located in the housing in m rows of n columns , where m and n are integers, each of the sensitive elements contains at least one nanotube and two electrodes, the ends of the nanotubes of each sensitive element being connected to the corresponding by the working electrodes so that the minimum distance between the axes of the nanotubes is equal to the sum of the two radii of adjacent nanotubes, and the minimum distance between the sensitive elements is chosen so that there is no electrical contact between the sensitive elements, films of insulating material placed in pairs on opposite sides of rows and columns of sensitive elements and designed to accommodate contact elements and electrical wiring, through which the electrical connection e electrodes of sensitive elements with an electronic control unit, while the said electronic control unit is designed to supply voltage to the electrodes of sensitive elements and detect current pulses arising in the sensitive elements during the formation of free electrons and holes at the moment of passage through the sensitive elements of ionizing radiation, to determine the trajectory ionizing particles and to determine the direction of the radiation source and the energy of the ionizing particle by computer molecular processing current pulses arriving from the sensing elements.

2. The detector according to claim 1, characterized in that the nanotubes used are nanotubes selected from the group consisting of conductors, semiconductors and dielectrics.

3. The detector according to claim 2, characterized in that the nanotubes used are nanotubes selected from the group consisting of carbon nanotubes and non-carbon nanotubes, as well as carbon / non-carbon nanotubes containing impurities that provide maximum absorption of neutrons and photons of a given energy range.

4. The detector according to any one of claims 2 and 3, characterized in that the nanotubes used are nanotubes selected from the group consisting of single-walled and multi-walled nanotubes.

5. The detector according to claim 3, characterized in that the non-carbon nanotubes used nanotubes selected from the group consisting of nitride-boron nanotubes, silicon nanotubes, gallium nitride nanotubes.

6. The detector according to claim 4, characterized in that the multi-walled nanotube contains an external nanotube and at least one inner nanotube, while the outer and at least one inner nanotube are connected in parallel with each other and to the electrodes of the sensing element.

7. The detector according to claim 4, characterized in that the multi-walled nanotube contains an external nanotube and at least one inner nanotube, while the outer and at least one inner nanotube are connected in series with each other and to the electrodes of the sensing element.

8. The detector according to claim 4, characterized in that the multi-walled nanotube contains an external nanotube and many internal nanotubes, while the external nanotube and part of the set of internal nanotubes are connected in parallel with each other and to the electrodes of the sensing element, and the nanotubes of the other part of the set of internal nanotubes are connected between themselves in series and connected to the electrodes of the sensing element.

9. The detector according to claim 1, characterized in that it contains a material that provides maximum absorption of neutrons or photons of a given energy range and is located in the region between the sensitive elements of the detector and between the nanotubes, and this material is placed between the sensitive elements of the detector so as not to create electrical contact between the sensitive elements of the detector.