Гальванический датчик импульсного рентгеновского излучения

Полезная модель относится к области ядерной физики и может быть использована для регистрации ионизирующих излучений, например для регистрации мощных потоков рентгеновского излучения в экспериментальных исследованиях. Предложено и применяются множество различных способов измерений параметров излучений [1], в большинстве случаев основанных на эффекте ионизации атомов под действием излучения. Исследования в области инерциального термоядерного синтеза поставили новые диагностические задачи [2], в частности разработки метода регистрации электромагнитного излучения плазмы, удовлетворяющего следующим основным требованиям:
1) рабочий диапазон измерений должен находиться в области энергий квантов (25-10000) эВ;
2) разрешение во времени должно находиться в диапазоне единиц нс;
2
3) линейная область чувствительности датчика должна находиться выше уровня мощности потока излучения I~1 МВт/см.
Обычно для регистрации интенсивности импульсного рентгеновского излучения используются твердотельные полупроводниковые детекторы, чувствительность которых определяется затратой энергии ΔЕ, необходимой для образования пары носителей заряда. Детекторы, основанные на кремнии, требуют ΔЕ~3 эВ, основанные на алмазе - ΔЕ~13 эВ. Анализ показывает, что в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу для регистрации излучения в рабочем диапазоне чувствительности требуется удаление детектора (даже алмазного) в вакууме на расстояние нескольких десятков метров от источника излучения, что достаточно дорого и не всегда выполнимо в реальных условиях. Применение фильтров, ослабляющих интенсивность падающего излучения, одновременно искажает его спектральный состав, что не позволяет идентифицировать процессы, протекающие в термоядерной мишени.
Кроме этих, на установках инерциального термоядерного синтеза для рутинных измерений мощных потоков рентгеновского излучения используются вторично-эмиссионные детекторы, чувствительность которых варьируется изменением материала катода [3]. Эти вторично-эмиссионные детекторы (ВРД) можно рассматривать как аналоги предлагаемого изобретения. Однако, применение ВРД рентгеновского излучения, также, как и полупроводниковых, из-за высокого отклика на ионизирующее излучение, возможно использовать только с применением различных ослабляющих фильтров. Реализация данной диагностической методики требует вакуумных условий, наличия в измерительной схеме источника высокого напряжения и учета зависимости эмиссионного отклика от энергии квантов измеряемого излучения и состояния эмитирующей поверхности, которая достаточно быстро модифицируется при высокой мощности измеряемых потоков излучения.
5
7
2
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ достоверных измерений больших интенсивностей излучения I~(10÷10) Вт/см при упрощении схемы измерений и снижении ее стоимости, представленный в патенте [4]. Для достижения указанного технического результата в известном способе регистрации импульсного ионизирующего излучения, при котором в процессе измерения электрического сигнала, возникающего под действием излучения в твердом чувствительном к излучению элементе со сравнительно высокой энергией образования свободных носителей заряда ΔЕ, например, стекла КУ1 (ΔЕ~150 эВ), который выполнен в виде диэлектрической пластины с первым и вторым контактами из металла, контакты нанесены на двух противоположных плоскостях пластины, имеющих площадь, причем толщина первого контакта делает его прозрачным для ионизирующего излучения, детектор на базе упомянутого чувствительного к излучению элемента устанавливают на пути регистрируемого ионизирующего излучения таким образом, что сторона пластины с первым контактом ориентирована навстречу ионизирующему излучению.
К недостаткам прототипа изобретения [4] относятся значительное время нарастания фронта сигнала (40 нс) как характеристика его быстродействия на воздействие импульсного рентгеновского излучения; а также сильно затянутый по времени отклик на воздействие импульсного рентгеновского излучения.
Технической задачей, которая решается предлагаемой конструкцией активного элемента гальванического датчика импульсного рентгеновского излучения, является повышение величин его быстродействия при детектировании ионизирующего излучения по способу [4].
2
Технический результат - обеспечение изготовления эффективного и чувствительного активного элемента гальванического датчика импульсного рентгеновского излучения с плотностью мощности до 2 МВт/см.
z
Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в гальваническом датчике импульсного рентгеновского излучения, содержащем диэлектрическую пластину, с обеих сторон которой выполнены электрические контакты, первый контакт по ходу излучения выполнен в виде кольцевого покрытия из золота толщиной 1-5 мкм, поверхность диэлектрической пластины, обращенной к кольцевому покрытию имеет шероховатость R≤1 нм, второй контакт на противоположной стороне пластины выполнен в виде сплошного покрытия из золота толщиной 1-5 мкм. Диэлектрическая пластина может быть выполнена из кварца или сапфира, ее толщина 200-300 мкм. Наружный диаметр кольцевого покрытия может составлять D=18-19 мм, а внутренний d=14-15 мм.
Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.
Фиг. 1 - вид на датчик спереди.
Фиг. 2 -разрез датчика по А-А.
Фиг. 3 - схема устройства для детектирования импульсного рентгеновского излучения на основе предлагаемого гальванического датчика.
-2
ФИГ. 4. Сравнение сигналов различных детекторов импульсного рентгеновского излучения с плотностью мощности импульса ~2 МВт см.
2
-2
z
z
Фиг. 5 - АСМ-изображения лицевых (рабочих) поверхностей пластин из монокристаллического сапфира на участках 1x1 мкм после химико-механической полировки до R≈0.1 нм (а) и после механической полировки до R≈1.2 нм (б); сигналы детекторов излучения (плотность мощности рентгеновского импульса ~2 МВт см на основе указанных пластин из монокристаллического сапфира после химико-механической полировки (в) и после механической полировки (г).
z
Предлагаемый датчик 1 содержит диэлектрическую пластину 2 с рабочими поверхностями 3 и 4. На поверхность 3 нанесено кольцевое покрытие 5 из золота толщиной 1-5 мкм, а на поверхность 4 нанесено сплошное золотое покрытие толщиной 1-5 мкм. При этом шероховатость поверхности 3, обращенной в сторону рентгеновского излучения составляет R≤1 нм.
Датчик используется в устройстве для регистрации импульсного ионизирующего излучения (фиг. 3), содержащем нагрузочное сопротивление 7 и регистрирующую аппаратуру 8,. например, осциллограф.
Датчик применяют следующим образом. Первый контакт, находящийся на стороне пластины, ориентированной навстречу ионизирующему излучению, заземляют, а возникающий на противоположной стороне пластины отклик отрицательного напряжения по коаксиальному кабелю транслируют к регистрирующей аппаратуре, например осциллографу. Один конец центрального проводника коаксиального кабеля соединяют со вторым контактом чувствительного элемента и первым выводом нагрузочного сопротивления, второй конец центрального проводника коаксиального кабеля соединяют с регистрирующей аппаратурой, а оплетку коаксиального кабеля и второй вывод нагрузочного сопротивления заземляют.
ПРИМЕР №1
13
-2
Источником импульсного рентгеновского излучения (полная пиковая мощность до 10 Вт) служила плазма мегаамперного Z-пинча, реализованная на специализированной термоядерной установке Ангара-5-1 [5]. Плотностью мощности импульса на датчиках во всех случаях составляла ~2 МВт см. Величина возникающей при этом импульсной электродвижущей силы в контакте изолятор - металл регистрируется электрической схемой, представленной на ФИГ. 3.
Результаты измерений временной зависимости амплитуды отклика для разных материалов, из которых изготовлен гальванический датчик импульсного рентгеновского излучения, представлены на ФИГ. 4. Из рассмотрения представленных графиков следует, что время нарастания фронта сигнала (менее 4 нс), как характеристика быстродействия датчика на воздействие импульсного рентгеновского излучения, уменьшается при облучении импульсным рентгеновским излучением от Z-пинча датчиков из сапфира и кварца (ФИГ. 4) по сравнению с 40 нс у датчика, изготовленного в соответствии с прототипом. Таким образом, конструкция предлагаемого датчика, включая замену стекла КУ1 на монокристаллический кварц или сапфир, приводит к увеличению его быстродействия в 10 раз по сравнению с прототипом.
ПРИМЕР №2
Рассматривалось влияние шероховатости лицевой (рабочей) поверхности пластины 2 датчика (фиг. 2) Проведено испытание датчиков с пластинами из кварца и сапфира. Из рассмотрения графиков на фиг. 5в и 5г следует, что происходит повышение величин их быстродействия (скорость нарастания фронта около 8 нс) при облучении импульсным рентгеновским излучением от Z-пинча (Фиг. 5) по сравнению с датчиками, для которых характерна большая шероховатость лицевой (рабочей) поверхности (скорость нарастания фронта около 32 нс), а также по сравнению с датчиками на основе стекла КУ-1 (прототип) с неконтролируемой шероховатостью поверхности.
Кроме того, гальванический сигнал от датчика с шероховатой поверхностью (Фиг. 5б) явно отклоняется от линейности по отношению к рентгеновскому импульсу (Фиг. 5г)
Приведенная информация подтверждает промышленную применимость датчиков предлагаемой конструкции.
Источники информации.
1. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. - М.: Наука. 1966.
2. Диагностика плотной плазмы / Под ред. Н.Г. Басова. - М: Наука. 1989.
3. Kornblum H.N., Slivinsky V.W. // Rev. Scient. Instrum. 1978. V. 49. №8. P. 1204.
4. RU 2640320 «Способ регистрации импульсного ионизирующего излучения», МПК G01T 1/00, опубл. 27.12.2017.
5. Зайцев В.И., Барыков И.А., Карташов А.В., Терентьев О.В., Родионов Н.Б. Радиационно-индуцированный гальванический эффект, наблюдаемый в интерфейсе металл-диэлектрик // Письма в ЖТФ. - 2016. - Т. 42. - Вып. 22. - С. 72-78.