научная статья по теме ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 539.1.07

ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

© 2015 г. Д. А. Гоганов, Б. В. Казанский, Д. А. Клименская, И. Б. Клочкова, [А. Г. Лебедев

И. П. Лепик, В. А. Проничев*, Ю. В. Протасов, А. С. Серебряков**

ООО "Элион" Россия, 191119, С.-Петербург, а/я 204 E-mail: imwin@inbox.ru * НПП "Буревестник" Россия, 195112, С.-Петербург, Малоохтенский просп., 68 ** ЗАО "Комита", С.-Петербург Поступила в редакцию 06.03.2014 г.

Описаны конструкции и приведены характеристики прямолинейных и изогнутых по радиусу пози-ционно-чувствительных газоразрядных детекторов мягкого рентгеновского излучения. Лучший достигнутый результат близок к 40 мкм (CuK"a) на газовой смеси на основе ксенона. Приведены сведения об их применении в аппаратуре рентгеновского анализа.

DOI: 10.7868/S0032816215010188

1. ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия в аппаратуре рентгеновского анализа широко используются позицион-но-чувствительные детекторы. Их применение позволяет существенно, в десятки и сотни раз, сократить время измерения дифрактограмм и изучать кинетику структурных превращений в образце, повысить точность и производительность анализа [1]. В данной работе описываются конструкции и технические характеристики линейных и изогнутых по радиусу позиционно-чувствительных детекторов с резистивно-емкостным кодированием позиционной информации. Детекторы такого типа появились достаточно давно [2, 3], но продолжают совершенствоваться и использоваться до сих пор.

При выборе конструкции детекторов они должны были удовлетворять следующим требованиям:

— линейное разрешение 50—150 мкм (для энергии 8.04 кэВ, линия Си^а);

— угловое разрешение изогнутого детектора при радиусе >114 мм — 0.05—0.15 (29);

— энергетическое разрешение не хуже 25% (линия Си^а);

— быстродействие — не менее 5 • 104 с-1;

— стабильная во времени интегральная и дифференциальная нелинейность;

— радиационная устойчивость должна быть не менее 5 • 1011 сосчитанных квантов.

Были рассмотрены различные способы решения поставленной задачи [4, 5] и как наиболее простая в исполнении и удовлетворяющая вышеуказанным требованиям была выбрана конструкция детектора с резистивным анодом. В ней используют метод анализа фронтов нарастания импульсов с обоих концов резистивного анода газового пропорционального счетчика и находят координату поглощенного кванта по центру тяжести облака первичных электронов.

Основным конструктивным элементом таких детекторов является резистивный анод, к которому предъявляются следующие требования: выдерживать загрузку до 105 с-1, сохранять свойства после случайного попадания первичного пучка, иметь низкий уровень собственных шумов и др. Следует отметить, что использование в ряде конструкций в качестве анода кварцевой нити с покрытием из пиролитического графита приводило к выходу из строя нити-анода и самого детектора. Так, после сосчитывания уже 2 • 107 квантов на участке длиной 200 мкм при загрузке ~100 с-1 разрешение падает в два раза [6—8] .

В конструкции наших детекторов использовалась нить, изготовленная в НПП "Буревестник", представляющая собой стержень из алю-моборосиликатного стекла 050—150 мкм, покрытый окислами олова и сурьмы с удельным сопротивлением 2—20 кОм/мм. Нить-анод имеет также защитное покрытие, позволяющее сохранить свойства после попадания первичного пучка при рабочем напряжении на аноде и выдерживающее прогрев в вакууме при температу-

Рис. 2. Блок детектирования на основе изогнутого координатного детектора. Радиус изгиба 114 мм, раствор 55° (20).

Рис. 1. Блок детектирования на основе линейного координатного детектора. Длина окна 50 мм.

ре ~150°С. Последнее необходимо для создания детектора отпаянной конструкции. Прочность на разрыв для нити 050 мкм составляет 30—50 г. Температурный коэффициент сопротивления составляет 5 • 10-5°С-1. Использование такого анода позволило создавать линейные и изогнутые по радиусу позиционно-чувствительные детекторы рентгеновского излучения как проточные, так и отпаянные.

2. КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ

Конструктивно линейный координатный детектор (л.к.д), показанный на рис. 1, состоит из корпуса и катода прямоугольного сечения 15 х х 6 мм2 (6 мм — глубина чувствительного объема). По оси катода на изоляторах натянута нить-анод 050 мкм с общим сопротивлением ~100 кОм. При этом длина резистивного слоя может составлять от 5 до 100 мм. Входное окно закрыто берил-лиевой фольгой толщиной от 50 до 150 мкм. Были выполнены две модификации л.к.д. — с длиной окна 25 и 50 мм.

Изогнутый координатный детектор (и.к.д.), показанный на рис. 2, содержит массивный катод сечением 15 х 20 мм2, по оси которого размещена нить-анод толщиной 120 мкм, выдерживающая устойчивый изгиб по радиусу 114, 180 и 240 мм при одинаковой длине нити ~120 мм.

Оба конца анода подключаются к предусили-телю с высоким входным сопротивлением. Затем

сигналы поступают на преобразователь позиционных сигналов, состоящий из формирователя импульсов Старт и Стоп, сумматора, амплитудного селектора, преобразователя время—амплитуда и аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.). В результате на выходе системы регистрации наблюдается спектр, отвечающий распределению позиционных сигналов в выбранном энергетическом интервале (рис. 3 и 4). Следует отметить, что в системе регистрации обрабатываются времена задержки до ~300 нс, что уверенно обеспечивает не менее 400 каналов позиционной регистрации при числе каналов а.ц.п. 4000.

Основной характеристикой позиционно-чув-ствительного детектора служит пространственное

Интенсивность, импульсы

мм

Рис. 3. Пространственный спектр, полученный при последовательном облучении окна л.к.д. тонким пучком СиКа. Расстояние между пиками 1, 0.5 и 0.25 мм (слева-направо).

Интенсивность, импульсы

мм

Рис. 4. Пространственный спектр, полученный при однородной засветке окна л.к.д. рентгеновским излучением.

разрешение. Пространственное разрешение А определяется как полная ширина на половине высоты пика пространственного распределения, полученного при облучении окна детектора кол-лимированным пучком рентгеновского излучения, падающим перпендикулярно рабочему окну и имеющим малую расходимость. Пространственный шум детектора в предположении, что все входящие факторы дают примерно гауссово распределение, может быть записан как

А2 = А? + А 2 + А 2 + А 2 + А 52,

(1)

где А! — пространственный шум, обусловленный конечностью пробегов фото- и оже-электронов в рабочем газе счетчика; А2 — вклад конечной ширины первичного пучка и наклона его к плоскости входного окна детектора; А3 — фактор диффузного размытия облака медленных электронов в процессе их сбора на анод; А4 — шум электроники; А5 — фактор пространственного шума, обусловленный процессом газового усиления и вторичными эффектами, связанными с ним.

Измерение параметров детекторов осуществлялось на стенде с использованием гониометра дифрактометра ДРОН-2.0, который позволяет работать с параллельным пучком Си^а-излуче-ния при ширине щели 20 мкм. Окно линейного детектора устанавливается перпендикулярно пучку с точностью до ±2'. Изогнутый детектор вращается по радиусу вокруг вертикальной оси гониометра.

Первые образцы детекторов были газопроточными и работали с газовой смесью Хе + 10% СН4. При этом для детектора с длиной окна 25 мм было получено пространственное разрешение 90 мкм, а для детектора с длиной окна 50 мм — 125 мкм. Для изогнутого детектора с радиусом 114 мм и газовым наполнением Хе(20) + Лг(70) + СН4(10) было получено разрешение 260 мкм. Измерение энергетического разрешения дало следующие результаты для энергии 5.9 кэВ: л.к.д. — при локаль-

Д, мкм 180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0.5

1.0

1.5 2.0

#, пКл

Рис. 5. Зависимость позиционного разрешения Д линейного детектора с длиной окна 25 мм от величины снимаемого заряда q. 1 — флуктуации центра тяжести числа первичных электронов; 2 — вклад ширины пучка; 3 — вклад диффузии; 4 — вклад шумов электроники; ДЕ — суммарное пространственное разрешение 90 мкм. Вклад газового усиления количественно не оценен.

ной засветке (щель 2 мм) — 16%, при полной засветке окна — 20%; для и.к.д. — не хуже 24%, при полной засветке окна — 30%.

На рис. 5 приведены конкретные вклады составляющих формулы (1) для л.к.д. с длиной окна 25 мм при давлении в смеси Хе + СН4 1 атм. Кривая 4 — вклад шумов электроники, который падает обратно пропорционально заряду #, снимаемому с детектора. Очевидно, что на уровне 1 пКл вклад электроники составляет примерно 30 мкм. Геометрическим фактором dtgа (й — толщина слоя поглощения, а — угол наклона пучка в горизонтальной плоскости к нормали к аноду) можно пренебречь при а << 1°. Уже при а = 1° и ксено-новом наполнении при глубине поглощения 6 мм дополнительное уширение составляет 100 мкм. Вклад конечной ширины пучка составляет 20 мкм (уровень 2 на рис. 5).

Другим важным фактором, ограничивающим пространственное разрешение координатных счетчиков, является диффузное размытие облака медленных электронов при их движении к аноду. Оно приводит к дополнительным флуктуациям положения центра тяжести облака носителей за-

А, мкм

10

15 20

Ер, кэВ

Рис. 6. Зависимость пространственного разрешения Л от энергии рентгеновского излучения: 1, 2 — экспериментальные данные для смесей 90% Аг + 10% СЩ (1) и 90% Хе + 10% СН4 (2); 3, 4 — расчетные данные для Аг (3) и Хе (4).

ряда, которые пропорциональны расстоянию от точки поглощения кванта до анода и обратно пропорциональны числу образующихся медленных электронов. Если воспользоваться зависимостью пространственного разрешения л.к.д. по вертикали от центра анода, измеренной точечным пучком для двух газовых смесей Хе + 10% СН4 и Хе + 10% СО2, а также теоретической оценкой, выполненной методом Монте-Карло в соответствии с программой [9], то средняя величина размытия облака первичных электронов для Си^а-излучения в л.к.д. со смесью Хе + 10% СН4 составит примерно 35 мкм (уровень 3 на рис. 5).

Для детекторов с высоким уровнем разрешения при атмосферном давлении основной вклад составляют флукт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»