SU1716409A1 - Датчик дл рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к устройствам дл  спектрометрии рентгеновского или излучени , включающих датчики на основе полупроводниковых детекторов излучени , охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников. Цель изобретени  - увеличение временной стабильности энергетического разрешени  за счет создани  оптимального теплового режима работы. Датчик содержит вакуумированную капсулу 1 с входным берилливым окном, внутри которой размещен термоэлектрический холодильник 4. На теплопоглощающих спа х холодильника расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6. Капсула снабжена герметичным корпусом 10с инертной средой и размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником 9. Капсула расположена на теплопоглощающих спа х холодильника и соединена с корпусом 10 посредством гибкой мембраны из материала с низкой теплопроводностью . 1 ил. со С

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  спектрометрии рентгеновских или гамма-лучей , а конкретно к датчикам на основе полупроводниковых детекторов (ППД) излучени , охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников, и может быть использовано в услови х полевых работ, св занных с  дерно-геофизическими измерени ми , в частности в полевых и бортовых приборах дл  определени  элементного состава проб геологических объектов.

Известен датчик дл  рентгенорадио- метрического анализатора, содержащий полупроводниковый детектор и полевой транзистор головного каскада предусилите- л , установленные на теплопоглощающих спа х термоэлектрического холодильника и помещенные в вакуумированную капсулу, имеющую входное бериллиевое окно и радиатор .

Недостатком известного устройства  в л ютс  больша  потребл ема  мощность используемого охладител  (330-420 Вт), значительные габариты (160x165x232 мм), а также необходимость посто нной откачки вакуумированного объема. Эти недостатки обусловлены тем, что стенки вакуумирован- ной капсулы, наход щиес  при комнатной температуре,  вл ютс  источником теплового излучени . В результате излучени  ра- диационные теплопритоки создают большую тепловую нагрузку на теплопогло- щающие спаи термоэлектрического охладител  (ТЭО), вынужда  увеличивать его холодопроизводительность. Наличие же в вакуумированном объеме мощного охладител  приводит к существенным газовыделени м , а следовательно, и к необходимости посто нной откачки вакуумированного объекта .

О

-N о

NO

Наиболее близким к изобретению  вл етс  датчик дл  рентгенорадиометрическо- го анализатора с полупроводниковым детектором, содержащий вакуумированную капсулу с входным бериллиевым окном и размещенным в нем ТЭО, на теплопоглоща- ющих спа х которого расположены детектор и полевой транзистор головного каскада предусилител . ТЭО имеет два разветвлени  с различными наборами термоэлементов , обеспечивающих на одном разветвлении режим максимального охлаждени , а на другом - режим максимальной холодопроизводительности. На теплопог- лощающем спае первого разветвлени  размещен детектор, на теплопоглощающем спае второго разветвлени  - ППД. Капсула помещена в корпус скважинного снар да и герметично закрыта бериллиевым цилиндром .

Описанна  конструкци  датчика имеет следующие недостатки. Во-первых, радиатор , а следовательно, и корпус капсулы, имеющий температуру окружающей среды, при ее повышении  вл ютс  источником теплового излучени  на близкорасположенные теплопоглощающие спаи ТЭО, создава  на них значительную тепловую нагрузку. В результате мощность ТЭО, примененного в конструкции,равна  примерно 15 Вт, при повышении температуры окружающей среды становитс  недостаточной дл  поддержани  температуры ППД и полевого транзистора на требуемом уровне, Кроме того, примененный в описанной конструкции ТЭО вследствие сильно развитой поверхности  вл етс  источником больших газовыделений и не позвол ет поддерживать в рабочем объеме давление ниже 10 . мм рт.ст. без посто нной откачки. Во-вторых , сложность конструкции с двум  разветвлени ми , работающими в разных режимах, не позвол ет применить при сборке высокотемпературные припои, а следовательно, провести достаточное обезгаживание. Указанные недостатки привод т к уменьшению временной стабильности энергетического разрешени , повышению эксплуатационных расходов.

Цель изобретени  -увеличение временной стабильности энергетического разрешени  за счет создани  оптимального теплового режима работы.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в датчике дл  рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором , содержащем вакуумированную капсулу с входным бериллиевым окном и размещенным в ней термоэлектрическим холодильником, на теплопоглащающих спа х которого расположены детектор и полевой транзистор головного каскада предусилител , капсула дополнительно снабжена герметичным корпусом с инертной средой и

размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником, причем капсула расположена на теплопоглощающих спа х холодильника, соединена с корпусом посредством гибкой мембраны из нержавею0 щей стали, ковара или титана.

Дополнительное снабжение датчика герметичным корпусом с инертной средой снижает конвективные теплопритоки, привод щие к уменьшению нагрузки термоэлект5 рического холодильника, размещенного в корпусе, а тем самым позвол ет максимально подохладить стенки капсулы и ее основание , а следовательно, и тепловыдел ющий спай холодильника, размещенного внутри

0 капсулы. Подохлаждение капсулы и тепловыдел ющего спа  ее ТЭО максимально снижает радиационные теплопритоки на теплопоглощающий спай и плату с детектором , что позвол ет с помощью менее мощ5 ного (с менее развитой поверхностью) холодильника охладить ППД и полевой транзистор до требуемой температуры, при которой датчик имеет приемлемое дл  целей рентгенорадиометрического анализа

0 энергетическое разрешение. За счет достижени  стабильности температуры теплопог- лощающего спа  ТЭО с датчиком и ППД обеспечиваетс  увеличение временной стабильности энергетического разрешени .

5 Использование в капсуле холодильника с малой мощностью, небольшой боковой поверхностью и скоммутированного высокотемпературными припо ми позвол ет провести термовакуумное обезгаживание,

0 гарантирующее длительную работу без посто нной или периодической откачки, а сле- довательно,иуменьшение

эксплуатационных расходов.

Применение мембраны из низкотеплоп5 роводного материала позвол ет уменьшить теплопритоки со стенок корпуса на крышку капсулы и сдемпфировать механические напр жени , возникающие при охлаждении элементов конструкции и обусловленные

0 разницей в температурных коэффициентах расширени  конструктивных материалов, и тем самым уберечь ТЭО от разрушени .

На чертеже представлен датчик, общий вид.

5 Датчик содержит вакуумированную капсулу 1 с входным бериллиевым окном 2, смонтированным на крышке 3, через которую осуществл етс  откачка и герметизаци  внутреннего объема капсулы 1. Внутри капсулы 1 расположен термоэлектрический

холодильник 4, на теплопоглощающих спа х которого расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6.

Холодильник 4 помещен в расположенный на основании капсулы 1 экран 7, на котором смонтированы титановые газопоглотители 8. Основание капсулы 1 припа но к каскадному термоэлектрическому холодильнику 9 (бозовый холодильник), размещенному в герметичном корпусе 10. Капсула 1 крепитс  к корпусу 10, внутренний объем которого откачан через штенгель 11 и заполнен инертным газом посредством гибкой мембраны 12. Базовый холодильник 9 в свою очередь припа н к радиатору 13,  вл ющемус  основанием несущего корпуса 14, на котором смонтировано устройство 15 пробоподачи с радиоизотопным источником 16 и прободержателем 17. Питание холодильников 4 и 9, детектора 5 и вывод информации осуществл етс  через гермов- воды 18 и 19, а св зь с внешними устройствами - через герморазъем 20. Предварительный усилитель смонтирован на плате 21 и расположен в корпусе 22.

Датчик работает следующим образом.

При подаче напр жени  на базовый холодильник 9 его теплопоглощающий спай и основание капсулы 1 начинают охлаждатьс , а следовательно, охлаждаютс  тепловыдел ющий спай холодильника 4 и экран 7.

При достижении минимальной температуры охлаждени  подаетс  питание на хо- лодильник 4, расположенный в вакуумированной капсуле 1, вакуум в которой поддерживаетс  предварительно активированнымититановыми газопоглотител ми 8, в результате через 1- 2 мин и температура охлаждени  детектора 5 и полевого транзистора 6 достигает -100 °С.

Тепло с тепловыдел ющих спаев холодильника 4 поглощаетс  теплопоглощаю- щими спа ми базового холодильника 9, а тепло с тепловыдел ющих спаев холодильника 9 отводитс  с помощью радиатора 13. Кванты характеристического рентгеновского излучени , возбуждаемые в пробе (не показана ), закрепленной в прободержателе 17, поддействием первичного излучени  радиоизотопного источника 16 через берилли- евое окно 2 капсулы 1 попадают на полупроводниковый детектор 5 и, поглоща сь в его рабочем объеме, образуют электронно-дырочные пары, зар д которых пропорционален энергии поглощенного кванта. Перемеща сь под действием электрического пол , созданного в детекторе 5 внешним источником смещени  (не показан ), образованный зар д индуцирует во

внешней электрической цепи детектора 5 импульс, который усиливаетс  полевым транзистором 6 и подаетс  через гермовво- ды 18 и 19 на предварительный усилитель,

смонтированный на плате 21, и далее через герморазъем 20 - к анализатору импульсов (не показан).

Согласно изобретению был изготовлен и испытан опытный образец датчика с полу0 проводниковым детектором и термоэлектрическим охлаждением.

Корпус датчика диаметром 110 мм и высотой 100 мм выполнен из нержавеющей стали. На корпусе смонтировано устройство

5 пробоподачи диаметром 56 мм и высотой 50 мм.

Основным конструктивным элементом датчика  вл етс  капсула, представл юща  собой стекл нный цилиндр (стекло С-50-2) с

0 гермовводами и коваровыми (29 НК-ВИ) основанием и крышкой. В экране из тонкого никелевого листа, к двум сторонам которого приварены два нераспыл емых титановых газопоглотител  ПНТ-2, расположен п ти5 каскадный микроохладитель мощностью 6 Вт. НатеплопоглощающемспаеТЭО расположена поликорундова  плата, к которой припа ны Si(Li) детектор $1 мм, высотой 3 мм и полевой транзистор А-648. На плате же

0 расположен пленочный резистор обратной св зи. Откачка капсулы осуществл етс  специальным откачным устройством через отверстие в крышке дл  входного бериллиевого окна, а герметизаци  осуще5 ствл лась бериллиевой пластиной с уплотнением индиевой проволокой р 0,7 мм. Вакуум в капсуле обеспечиваетс  вакуумной технологией сборки и очистки ТЭО и составл ет 10 мм рт.ст.

0 Металлостекл нна  капсула припа на на теплопоглащающий спай двухкаскадного базового ТЭО мощностью Вт, охлаждающий тепловыдел ющий спай ТЭО, наход щегос  в капсуле, до температуры -40°С.

5 Миниатюрный шестиваттный ТЭО охлаждает плату с детектором и полевым транзистором до температуры-100°С.

Базовый ТЭО тепловыдел ющим спаем припа н к радиатору,  вл ющемус  основа0 нием корпуса, внутренний объем которого заполнен ксеноном. Верхней частью корпуса служит тонка  (0,04 мм) гибка  гофриро- ванна  мембрана, вакуумплотно закрепленна  по внешнему диаметру на

5 стенках корпуса, а по внутреннему - на крышке капсулы.

Пенопластовый кожух, проложенный между корпусом датчика и несущим корпусом , на котором смонтированы устройство пробоподачи и радиоизотопный источник,

служит дл  дополнительной теплоизол ции корпуса.

Информационный сигнал с детектора через гермовводы поступает на предусили- тель с резистивной обратной св зью, распо- ложенный в общем корпусе.

Применение вакуумных конструктивных материалов дл  изготовлени  капсулы и элементов конструкции внутреннего объема (стекло, ковар, никель), сведенные к ми- нимуму размеры ТЭО - основного источника газовыделени  и специальна  технологи  его изготовлени  и очистки, применение титановых газопоглотителей большой емкости позвол ют поддерживать в капсуле вакуум 10 . мм рт.ст. в течение 12 лет.

Испытани  показали, что по сравнению с прототипом эксплуатационные расходы снизились в 3-5 раза;.датчик обеспечивает и поддерживает значение энергетического разрешени  350-10 эВ на линии К 5,9 кэВ в течение не менее 1 года.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик дл  рентгенорадиометрическо- го анализатора с полупроводниковым де-

   тектором, содержащий несущий корпус, основанием которого  вл етс  радиатор, размещенную внутри несущего корпуса вакуумированную капсулу с расположенным в ней термоэлектрическим холодильником , на теплопоглощающих спа х которого размещены детектор и полевой транзистор, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  временной стабильности энергетического разрешени  за счет создани  оптимального теплового режима работы, между дном капсулы и радиатором размещен дополнительный термоэлектрический холодильник, тепловыдел ющие спаи которого имеют тепловой контакт с радиатором , а теплопоглощающие спаи соединены с дном капсулы, при этом капсула с дополнительным холодильником размещены в дополнительном корпусе, основанием которого  вл етс  радиатор, заполненном инертной средой, а крышка капсулы соединена с этим корпусом посредством гибкой мембраны, выполненной из материала с низкой теплопроводностью.

   22