Газовый пропорциональный детектор

Газовый пропорциональный детектор – один из первых приборов, предназначенных для регистрации интенсивности и спектрального распределения рентгеновского излучения. Конструктивно пропорциональные счетчики рентгеновского излучения представляют собой газоразрядный двух­элект­родный прибор, катодом которого служит металлический корпус (рис. 3.4), а анодом – тонкая вольфрамовая нить. В качестве наполнителя чаще всего используют аргон, а также ксенон. Для жесткого излучения предпочтительное ксенон, так как у него больше эффективность регистрации.

Рис. 3.5. Схема проточного пропорционального газового детектора: 1 – изоляторы; 2 – корпус; 3 – входное окно; 4 – нить; 5 – штуцеры для подвода газа

Квант рентгеновского излучения, взаимодействуя с электронной оболочкой атомов газа, выбивает один из внешних электронов, в результате чего образуется ионная пара. На образование одной ионной пары аргона расходуется в среднем 26,4 эВ энергии, для ксенона это значение составляет 20,8 эВ. Число пар ионов, образованных при поглощении одного кванта с энергией e, будет определяться выражением (3.1)

                                                              ,                                                       (3.1)

где J – средняя энергия образования ионной пары; Ф – фактор Фано, учитывающий, что отдельные акты ионизации не носят чисто случайный характер. Из (3.1) видно, что количество ионных нар пропорционально энергии падающих фотонов. Это приводит к тому, что амплитуда импульса на выходе детектора пропорциональна энергии регистрируемых квантов, то есть детектор способен разделять регистрируемые кванты по энергиям.

Под действием ускоряющего потенциала электроны движутся к нити, а положительные ионы – к корпусу. Электроны на своем пути ускоряются электрическим полем и многократно ионизируют атомы газа. Отношение числа первично возникших электронов к числу электронов, достигших нити, называется коэффициентом газового усиления, обычно он равен 104–105. Значение коэффициента газового усиления экспоненциально зависит от рабочего напряжения на счетчике, поэтому стабильность ускоряющего напряжения должна быть не хуже 0,05 %. Для быстрого гашения импульса в инертный газ добавляется немного гасящего газа.

Рис. 3.6. Эффективность пропорциональных счетчиков с различным наполнителем: 1 – Не + 10 % СН4, окно – полипропилен 1 мкм; 2 – Ne + + 10 % СН4 окно – Be 10 мкм; 3 – Ar – 10 % СН4, окно – полипропилен 1 мкм; 4 – Кг + 10 % СН4; 5 – Xe + 10 % СН4; 6 – Xе + 10 % СН4, давление 2 атм. Толщина слоя газа 2 см, давление 1 атм (кроме случая 6)

Газоразрядные счетчики бывают отпаянные с постоянным газовым наполнением и проточные. В отпаянных счетчиках для окон используют вакуумплотный бериллий толщиной около 0,2 мм. Срок службы таких детекторов определяется непроницаемостью окна детектора для газа. Для регистрации мягкого рентгеновского излучения нужны очень тонкие входные окна, которые невозможно сделать газонепроницаемыми.

Чтобы компенсировать неизбежную утечку газа, через счетчик пропускается с малой скоростью струя газа из подключенного баллона. В проточных счетчиках окна изготовляются из органических или полипропиленовых пленок толщиной 1–6 мкм. Пленки толщиной 0,1 мкм и менее получают из нитроцеллюлозы, поливинилового формальдегида и ацетата целлюлозы испарением растворителя из капель раствора на поверхности воды. Сверхтонкие окна укрепляют на металлической (бериллиевой) сетке. Поглощаясь в рабочем газе детектора, рентгеновское излучение вызывает вторичное харкатеристическое излучение газа. Если это вторичное излучение выйдет из рабочего объема детектора, не поглотившись, то ионизации вторичными фотонами теряются и наряду с основным пиком возникает пик потерь, смещенный от основного пика на величину потерянной энергии фотонов рабочего газа.

Пока продолжается разряд, детектор не может зарегистрировать очередной квант рентгеновского излучения. При следовании квантов чаще, чем через 1–2 мкс, счетчик не будет их регистрировать. Это время принято называть мертвым. Мертвое время может значительно увеличиваться за счет регистрирующей электронной схемы, работающей в комплекте с детектором. Поэтому при эксплуатации избегают нагрузок детектора, превышающих 105 имп./с.

Для регистрации квантов рентгеновского излучения на определенной площади используется разновидность газоразрядного детектора – газовый позиционно-чувствительный детектор (ПЧД). В ПЧД в качестве анода используется нить с высоким сопротивлением. Регистрируемый сигнал снимается с обеих сторон анода. При этом амплитуда и форма обоих выходных импульсов определяется расстояниями от участка нити, соответствующего точке первичной ионизации, до ее концов. Последующая обработка этих сигналов позволяет определить как энергию поглощенного фотона, так и линейную координату точки его попадания в детектор. Пространственное разрешение ПЧД доходит до 50–100 мкм.

Сцинтилляционный детектор

Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (или фотодиода) (рис. 3.7).

Сцинтилляторами называют вещества, которые под действием рентгеновских квантов испускают фотоны в видимой или ультрафиолетовой области спектра. В сцинтилляторе спектр испускания излучения должен быть сдвинут относительно полосы поглощения, т. е. должна быть высокой вероятность испускания фотонов атомами и молекулами вещества в возбужденных состояниях и в то же время мала вероятность поглощения испущенных фотонов. Сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) должны иметь хорошую оптическую связь, спектральная чувствительность умножителя должна соответствовать спект­ру, излучаемому сцинтиллятором. Как правило, используются кристаллы NaI(Tl), имеющие высокую конверсионную эффективность(8 %) и малую постоянную времени высвечивания. Для мягкого рентгеновского излучения оптимальная концентрация активатора Тl составляет 0,08–0,3 %. Для излучения 20–60 кэВ – 0,02–0,1 %.

Рис. 3.7. Схема сцинтилляционного счетчика: 1 – кристалл-сцинтиллятор; 2 – световод; 3 – фотокатод; 4 – диноды; 5 – анод; 6 – выход; 7 – делитель напряжения

Квант рентгеновского излучения, попадая через входное окно в кристалл-сцинтиллятор 1, вызывает в нем вспышку света в видимом или ультрафиолетовом диапазоне. Отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощенной в сцинтилляторе, называют конверсионной эффективностью сцинтиллятора. Для разных сцинтилляторов конверсионная эффективность различается, но не превышает 0,3. Количество световых фотонов, испускаемых сцинтиллятором при попадании одного рентгеновского кванта, характеризуют величиной, называемой световыходом сцинтиллятора.

Квант видимого света по световоду 2 попадает на фотокатод 3 ФЭУ. Фотоны света в результате фотоэффекта выбивают из катода электроны, которые размножаются в результате вторичной электронной эмиссии (коэффициент вторичной эмиссии материала динодов 4 при выбранных напряжениях существенно больше единицы).

Не все фотоны, образовавшиеся в сцинтилляторе, могут достичь фотокатода ФЭУ. Часть поглощается самим сцинтиллятором, часть – в упаковке кристалла, а также в отражателе и в стеклянной колбе ФЭУ. Так как световой выход низок, в среднем требуется около 200–1000 эВ для получения фотона. Как следствие, энергетическое разрешение счетчика невысоко, а его основным его достоинством является возможность регистрации излучения с большой энергией квантов.