ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 3, с. 126-130
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 539.1.07
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВОГО ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ДЕТЕКТОРА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, НАПОЛНЕННОГО
СМЕСЬЮ АРГОН + КСЕНОН
© 2011 г. Д. А. Гоганов*, А. А. Шульц
ООО ЭЛИОН
Россия, 195112, Санкт-Петербург, Малоохтенский просп., 68 *Е-таП: imwin@inbox.ru Поступила в редакцию 22.12.2010 г.
Исследованы характеристики газового электролюминесцентного детектора (д.э.л.г.) рентгеновского излучения, наполненного смесью Лг + Хе в диапазоне содержаний Хе от 5 до 100%. Для смеси 80% Лг + 20% Хе обнаружено улучшение энергетического разрешения при повышении давления газовой смеси. Лучший достигнутый результат при давлении 3 ат. составляет 7.25% (МпА"а, 5.9 эВ), что на 0.5% абс. выше известных литературных данных. Параметр пик/долина для этой же смеси достигает значения 650 для энергии 5.9 кэВ в сравнении со значением 200 для чистого Хе. По уровню достигнутого энергетического разрешения д.э.л.г. пригоден для использования в рентгеновской ди-фрактометрии для светосильного подавления Кв-линий характеристического излучения основных анодов рентгеновских трубок.
1. ВВЕДЕНИЕ
Газовый электролюминесцентный детектор (д.э.л.г., в литературе действует также обозначение ГСПС — газовый сцинтилляционный пропорциональный счетчик) рентгеновского излучения активно разрабатывается и находит применение в энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном анализе, рентгеновской астрономии, ядерной физике.
Важнейшим параметром этого детектора является высокое энергетическое разрешение при большой площади входного окна (от единиц до десятков см2). Результат 8.5% для линии 5.9 кэВ был получен португальскими исследователями в 1972 г. [1] и привлек внимание ученых. За прошедшее время благодаря совершенствованию конструкции и технологии изготовления значение разрешения было доведено до 8% [2, 3]. При этом использовался Хе высокой чистоты при давлении от 500 до 1000 Торр. В ряде случаев сообщалось о значении разрешения <8%.
Для удобства дальнейшего изложения остановимся коротко на описании конструкции и характеристиках д.э.л.г. В качестве примера на рис. 1 приведен разрез созданного нами детектора [4]. В керамическом корпусе 1 размещены электроды, делящие объем детектора на две части. Область I — область поглощения, формируемая фланцем входного бериллиевого окна 2 и сеткой 3, расстояние между которыми 30 мм. Область II — район электролюминесценции, ограниченный сетками № 1 (3) и № 2 (4), расстояние между которыми 10 мм. На
выходе корпуса размещен фланец с окном из MgF2 (5) для выпуска ультрафиолетового излучения, возникающего в районе II.
Конструкция собирается с помощью твердых припоев и лазерной сварки, а затем прогревается до 300° С при безмасляной откачке. Газовое наполнение — Хе при давлении от 500 до 1000 Торр.
Регистрируемое рентгеновское излучение попадает в объем детектора через входное берилли-евое окно. Облако первичных электронов, возникших при поглощении рентгеновских квантов, устремляется к сетке № 1 под действием потенциа-
Рис. 1. Разрез детектора: 1 — керамический корпус; 2 — бериллиевое окно; 3 и 4 — сетки № 1 и № 2; 5 — окно из MgF2.
ла ~2 кВ. Далее эти электроны проникают в район II под действием высокого межсеточного потенциала (~5 кВ). При прохождении межсеточного промежутка электроны в процессе столкновений возбуждают атомы Хе. В процессе тройных столкновений возникают эксимерные молекулы Хе+, при распаде которых возникают ультрафиолетовые кванты с длиной волны 173 нм (порядка 500 квантов на 1 электрон на пути 1 см). Напряженность поля между сетками такова, что ионизации молекул газа не возникает. Возникающий свет регистрируется с помощью фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.).
Энергетическое разрешение д.э.л.г. записывается в следующем виде:
Д,% = 236= 2361— + С , (1)
А УЕЛ
где сЛ/А — относительная среднеквадратическая
флуктуация амплитуды импульса А; Ш — фактор Фано, характеризующий процесс диссипации энергии в данном газе и определяемый из выражения (aN/N)|2 = ¥/N (сМ/N — относительная среднеквадратическая флуктуация числа первичных электронов N относительно среднего значения N); ю = Е/N — средняя энергия на пару носителей заряда; Е — энергия измеряемого рентгеновского кванта; С — константа, не зависящая от А и определяемая шумами ф.э.у. и электронного тракта.
При этом под корнем в выражении (1) пренебрегли относительной среднеквадратической флуктуацией процесса генерации электролюминесценции из-за ее малости: эта величина примерно в 100 раз меньше в сравнении с флуктуацией коэффициента газового усиления в пропорциональном счетчике [5], именно поэтому энергетическое разрешение пары д.э.л.г. — ф.э.у. почти в два раза выше, чем для газового пропорционального счетчика.
За счет повышения светосилы сбора ультрафиолетового излучения при использовании новых фотосенсоров — микростриповых плат и фотодиодов большой площади — удалось достичь разрешения 7.8% [2]. Нами был создан и испытан электролюминесцентный детектор со встроенным и находящимся в вакуумном объеме непосредственно за окном М§Б2 фотокатодом [6], что позволило получить энергетическое разрешение 7.5% за счет повышения светосилы устройства.
Ставя перед собой задачу создания высокоэффективного счетчика для использования в рентгеновском анализе, следовало вести дальше работу по повышению энергетического разрешения д.э.л.г. Уже имеющегося разрешения было достаточно для разделения характеристических линий
элементов Z, Z + 2 в системе Менделеева при рент-генофлуоресцентном анализе. Для дискриминации ^р-линий в рентгеноструктурном анализе необходимо разрешение ~7% для энергии 5.9 кэВ [7].
2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ Д.Э.Л.Г.
С ГАЗОВОЙ СМЕСЬЮ Аг + Хе
С целью дальнейшего повышения энергетического разрешения д.э.л.г. была предпринята попытка по использованию газовой смеси Аг + Хе.
Из литературы известно, что смеси благородных газов, в частности Аг + Хе, Кг + Хе и другие, при взаимодействии с ионизирующим излучением обеспечивают величину ионизации, большую, чем для каждой компоненты в отдельности. Так, из работы [8] следует, что для смеси Аг + Хе при малых содержаниях Хе (5—30%) число возникающих первичных зарядов возрастает в сравнении с данными для чистого Хе (возбуждение а-части-цами). Поскольку метастабильный процесс Пен-нинга в данных смесях невозможен, автор объясняет возникающую дополнительную ионизацию как результат неметастабильного (короткоживу-щего [8]) пеннинговского процесса.
Возникновение дополнительной ионизации должно привести к повышению энергетического разрешения за счет роста числа первичных зарядов N и уменьшения фактора Фано. Именно за счет этих факторов в [9] удалось получить разрешение 12% для линии 5.9 кэВ вместо обычных 14% для пропорционального счетчика и смеси 20% Хе + 80% Аг. Следует отметить существенное улучшение энергетического разрешения, несмотря на маскирующий эффект статистики газового усиления и шумов электроники.
Смесь Аг + Хе уже использовалась при работе с д.э.л.г. Так, в работе [10] при изучении широкого набора составов смесей Аг + Хе были получены минимальные значения Ш для смесей с 5% и 20% Хе, однако эти значения были того же порядка, что и для чистого Хе. В недавних работах [11—13] были повторены эти результаты, лучшее значение разрешения для смеси Аг + Хе (20%) составило 7.8%.
Нами также была проведена работа по использованию смеси Аг + Хе в д.э.л.г. Использовался типичный д.э.л.г. нашей конструкции [4] с применением ФЭУ-39А с фотокатодом 038 мм. Обычно лучший результат такого блока детектирования с д.э.л.г. составлял ~8% для линии 5.9 кэВ при давлении Хе 1 ат. Существенное отличие нашей конструкции состоит в возможности работы с давлением газа-наполнителя несколько атмосфер.
На рис. 2 приведена зависимость энергетического разрешения д.э.л.г. от содержания Аг и Хе при суммарном давлении 700 Торр. Измерения были выполнены при диаметре засветки входного окна 10 мм, каждое из значений было получено
128
ГОГАНОВ, ШУЛЬЦ
МпК
, %
15 13 11 9 7
40 60 80 100 Удельное содержание Хе, %
Рис. 2. Зависимость энергетического разрешения д.э.л.г. от содержания Хе в смеси Лг + Хе. Давление Р = 700 Торр, диаметр пучка 10 мм.
ДМпКа, % 12
11
10
9
8
7
400
800
1200 1600 РХе, Торр
Рис. 3. Зависимость энергетического разрешения д.э.л.г. с ксеноновым наполнением от давления. Диаметр пучка 10 мм.
ДМпКс
8.4
8.2 8.0 7.8 7.6 7.4
%
3.3 Р, ат
Рис. 4. Зависимость энергетического разрешения д.э.л.г. от давления смеси 20% Хе + 80% Лг. Диаметр пучка 2 мм.
после откачки и перенаполнения одного и того же детектора. Для чистого Хе разрешение составило 8%, а для смеси 20% Хе + 80% Лг - ~8.3%. Полученный результат близок к данным [11], по крайней мере, в случае больших содержаний Хе в смеси. Следует учитывать существенную разницу
в диаметре фотокатода — у нас 38 мм, в работе [11] 52 мм, что и должно приводить к несколько лучшим результатам в разрешении.
Ожидаемого улучшения разрешения не было получено, хотя по всем данным в зоне I детектора при использовании смеси Лг + Хе должен выделяться при поглощении рентгеновских квантов дополнительный заряд и должно улучшаться энергетическое разрешение. В зоне II, как уже говорилось, осуществляется генерация ультрафиолетовых квантов электролюминесценции, и интенсивность этого излучения зависит от количества высвечивающих компонентов. В нашем случае мы можем регистрировать только линию Хе (кварцевое окно ф.э.у., некоторый воздушный зазор между окнами д.э.л.г. и ф.э.у. поглощают более жесткое излучение Лг), и от количества Хе зависят амплитуда сигнала и энергетическое разрешение. Следует учитывать уменьшение количества Хе при использовании смеси Лг + Хе, особенно при малых концентрациях Хе.
Для проверки вышесказанного была снята зависимость энергетического разрешения детектора для квантов 5.9 кэВ от давления чистого Хе. На рис. 3 видно, что насыщение графика энергетического разрешения достигается при давлении ~600—800 Торр, где обычно и реализуется разрешение ~8%. Ниже этого диапазона давл
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.