СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SCINTILLATION DETECTOR FOR REGISTRATION OF PULSE SOFT X-RAY RADIATION

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть преимущественно использовано для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с получением информации о спектре излучения.
Мягкое рентгеновское излучение передается преимущественно при пониженном давлении газа и поглощается, как правило, в тонких слоях веществ, поэтому для создания сцинтилляционных детекторов МРИ необходимо использовать соответствующие конструкторские и технологические решения.
Известен сцинтилляционный детектор для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (A.S. Boriskin, Yu.V. Vlasov, A.A. Volkov at el. «Formulation of the first experiments on x-ray radiation with imploding wire framed liners powered by explosive magnetic generators» in Proceedings of Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, Moscow-St.Petersburg, July 7-14, 2002, edited by V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich, p. 725-729]. Известный сцинтилляционный детектор содержит поглощающий фильтр излучения, расположенный в вакууме на пути регистрируемого МРИ перед пленочным сцинтиллятором, преобразующим МРИ в люминесцентное излучение оптического диапазона спектра, и световод длиной несколько метров, обеспечивающий передачу люминесцентного излучения пленочного сцинтиллятора к фотоприемнику. При этом в качестве фотоприемника используется фотоумножитель, а фильтр излучения состоит из материала, формирующего область избирательной чувствительности в отдельных диапазонах МРИ и одновременно блокирующего излучение в оптическом диапазоне спектра.
Недостатком известного сцинтилляционного детектора является наличие стеклянного окна, расположенного в герметичном фланце на торце канала вывода люминесцентного излучения. При этом пленочный сцинтиллятор прикреплен к внутренней поверхности стеклянного окна с помощью оптически прозрачного клея. Толщина стеклянного окна составляет всего 1,5 мм для минимизации потерь светосбора люминесцентного излучения пленочного сцинтиллятора. В итоге, конструкция известного сцинтилляционного детектора не обладает достаточной технологичностью для частого использования в лабораторных и взрывных экспериментах и ненадежна в эксплуатации. Световод удален от пленочного сцинтиллятора на расстояние, равное толщине стеклянного окна и слоя оптически прозрачного клея, что ведет к снижению качества светосбора. Кроме того, при прохождении через слой клея и стеклянное окно люминесцентное излучение пленочного сцинтиллятора меняет свой спектральный состав, что тоже ведет к снижению качества светосбора.
Известен также сцинтилляционный детектор для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения (В.Д. Селемир, В.А. Демидов, В.Ф. Ермолович и др. «Исследование генерации мягкого рентгеновского излучения в Z-пинчах с запиткой от спиральных взрывомагнитных генераторов», Физика плазмы, 2007, т. 33, №5, с. 424-434), аналогичный по своему устройству вышерассмотренному сцинтилляционному детектору. В известном сцинтилляционном детекторе задача повышения качества светосбора и надежности вакуумного уплотнения частично решена заменой стеклянного окна на более прочную волоконно-оптическую пластину.
Недостатком известного сцинтилляционного детектора также является низкая технологичность его конструкции. Кроме того, в известном сцинтилляционном детекторе используются дорогостоящие волоконно-оптическая пластина и кварцевый световод большого диаметра (400-800 мкм). Волоконно-оптическая пластина имеет конечное число оптических волокон, расположенных напротив торца световода, а диаметр оптических волокон влияет на качество светосбора. С переходом на световод меньшего диаметра качество светосбора снижается, так как диаметр оптических волокон становится соизмерим с диаметром световода.
K
α
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному сцинтилляционному детектору для регистрации мягкого рентгеновского излучения, представленному в работе (Ю.Я. Нефедов, П.Л. Усенко «Сцинтилляционный детектор импульсного мягкого рентгеновского излучения», ПТЭ, 2016, №1, с. 113-117). Известное устройство по прототипу используется для регистрации импульсов МРИ с временным разрешением 5 нс и позволяет получать информацию о спектре регистрируемого излучения. Прототип содержит поглощающий фильтр излучения, расположенный в вакууме перед пленочным сцинтиллятором из полистирола, световод, обеспечивающий вывод люминесцентного излучения пленочного сцинтиллятора из вакуума, и фотоприемник, в качестве которого использован фотоумножитель. При этом фильтр излучения находится на расстоянии от рабочей поверхности пленочного сцинтиллятора. Прототип разработан для экспериментов, проводимых при сравнительно высоком остаточном давлении газа (≥1 мм рт. ст.). Результаты работы устройства по прототипу представлены на примере регистрации квантов с энергией 0,84 кэВ (Ne) при спектральном диапазоне регистрации от 0,7 до 18 кэВ. В устройстве по прототипу использован фильтр излучения, изготовленный из сравнительно толстой алюминиевой фольги 5,7 мкм.
Сцинтилляционный детектор, принятый за прототип, не предназначен для регистрации квантов с энергией менее 0,1 кэВ. В описании устройства по прототипу не представлена информация о применяемых способах закрепления фильтра излучения и пленочного сцинтиллятора. Отсутствуют сведения о конструкции вакуумной части и работе прототипа при низком остаточном давлении газа (менее 1 мм рт. ст.). В устройстве по прототипу для увеличения эффективности светосбора и гальванической развязки фотоприемника от корпуса установки использован дорогостоящий световод большого диаметра (5 мм) и малой длины (250 мм). Используемый в качестве фотоприемника фотоумножитель является хрупким и дорогостоящим прибором. Применение указанных световода и фотоумножителя для однократной транспортировки излучения на большие (~10 м) расстояния не является экономичным с учетом их возможного уничтожения или повреждения во взрывном эксперименте. Кроме того, у прототипа отсутствует средство коммутации сцинтиллятора и световода, позволяющее на разных этапах подготовки эксперимента оперативно подключать отрезки световода необходимой длины и требуемого диаметра (организация защиты расстоянием электрической части, проведение калибровки, проверка работоспособности, подбор чувствительности сцинтилляционного детектора и др.).
22
2
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание сцинтилляционного детектора с улучшенными эксплуатационными возможностями для регистрации в лабораторных и взрывных экспериментах наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения при высокой плотности потока квантов ~10 квантов/(см⋅с) в расширенном диапазоне энергий квантов.
-6
Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей сцинтилляционного детектора, за счет увеличения регистрируемого сцинтилляционным детектором спектрального диапазона, повышения технологичности конструкции, сборки и обслуживания сцинтилляционного детектора, позволяющих использовать сцинтилляционный детектор в лабораторных и взрывных экспериментах при пониженном до 10 мм рт. ст. давлении газа для регистрации наносекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов от 0,02 до 20 кэВ.
Технический результат достигается тем, что в разработанном сцинтилляционном детекторе для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения, включающем пленочный сцинтиллятор, фильтр излучения, фотоприемник и световод, обеспечивающий оптическую связь между пленочным сцинтиллятором и фотоприемником, при этом фильтр излучения установлен с зазором перед пленочным сцинтиллятором, новым является то, что световод разделен на приемный и передающий отрезки, фильтр излучения выполнен сменным и закреплен в разборном держателе, сцинтилляционный детектор дополнительно содержит герметичный соединитель, во внутрь которого вакуумплотно установлен приемный отрезок световода таким образом, что торцы приемного отрезка световода и герметичного соединителя расположены в одной плоскости и образуют оптический вход, к которому при помощи прижима поджат пленочный сцинтиллятор с обеспечением оптического контакта, другой торец приемного отрезка световода и оба торца передающего отрезка световода оснащены самоцентрирующимися оптическими коннекторами, герметичный соединитель снабжен вакуумным уплотнением для размещения на стенке-границе вакуумного объема, детектор также содержит защитную крышку, установленную на герметичном соединителе поверх прижима и используемую для фиксации разборного держателя, а коннекторы приемного и передающего отрезков световода соединены друг с другом с помощью оптического адаптера, при этом другой коннектор передающего отрезка световода подключен к фотоприемнику.
Используется однослойный или многослойный оптически плотный поглощающий фильтр излучения, суммарная толщина которого составляет от 1 до 10 мкм, и при этом разборный держатель, прижим, защитная крышка и герметичный соединитель конструктивно выполнены таким образом, что между ними находится полость, которая представляет собой лабиринт, для защиты фильтра излучения от механического повреждения и защиты пленочного сцинтиллятора от подсветки.
Используется пленочный сцинтиллятор на основе поливинилтолуола.
Используется диаметр передающего отрезка световода, равный или меньший диаметра приемного отрезка световода.
В самоцентрирующихся оптических коннекторах использовано соединение ST-типа (Straight Tip).
В качестве фотоприемника может быть использован фотодиод.
Герметичный соединитель закреплен на стенке-границе вакуумного объема при помощи гайки, шайбы и прокладки-уплотнителя.
Прижим закреплен на герметичном соединителе с помощью резьбы.
Детали разборного держателя соединены друг с другом и закреплены на защитной крышке с помощью винтов.
Фильтр излучения удерживается на полированной поверхности детали разборного держателя силой поверхностного натяжения.
Защитная крышка установлена на герметичном соединителе с помощью резьбы.
Защитная крышка и самоцентрирующийся оптический коннектор приемного отрезка световода зафиксированы шпильками.
Приемный отрезок световода вакуумплотно вклеен в герметичный соединитель.
Длина герметичного соединителя выбирается в соответствии с используемой толщиной стенки-границы вакуумного объема.
Выполнение фильтра излучения сменным и закрепление его в разборном держателе позволяет расширить регистрируемый сцинтилляционным детектором спектральный диапазон за счет использования различных материалов (фольг, пленок и т.п.) микронной и субмикронной толщины, за счет использования одного или нескольких слоев материала одинакового или разного химического состава. Для защиты фильтра излучения, особенно при использовании в его составе материалов низкой прочности или малой толщины, в конструкции сцинтилляционного детектора имеется канал откачки, обеспечивающий снижение градиента давления газа на фильтр излучения в процессе вакуумирования.
Расширение спектрального диапазона в область малых энергий регистрируемых квантов обеспечивается также высоким качеством рентгеночувствительной поверхности облучаемой области пленочного сцинтиллятора за счет использования прижима, удерживающего пленочный сцинтиллятор за края, а также за счет технологии вырезания пленочного сцинтиллятора из заготовки с использованием пробойника и толкателя. При изготовлении и монтаже пленочного сцинтиллятора воздействие происходит на противоположную облучаемой области тыльную сторону пленочного сцинтиллятора. Тыльная сторона пленочного сцинтиллятора прижимается с обеспечением оптического контакта к торцу приемного отрезка световода и используется только для вывода люминесцентного излучения сцинтиллятора. Расширение спектрального диапазона в область больших энергий квантов обеспечивается возможностью применения различной толщины и химического состава пленочного сцинтиллятора, например, на основе полистирола или поливинилтолуола.
Улучшение временного разрешения обеспечивается использованием сцинтиллятора, световода, фотоприемника и осциллографа с улучшенными характеристиками.
Для защиты пленочного сцинтиллятора от внешнего оптического излучения, которое может попадать под фильтр излучения через канал откачки, конструкция канала откачки представляет собой лабиринт с большим числом ступеней и матовых поверхностей, эффективно рассеивающих и поглощающих оптическое излучение. Кроме того, выход из канала откачки в вакуум расположен на дальней от источника излучения поверхности защитной крышки, что также улучшает защиту от внешнего оптического излучения.
-6
Возможность использования сцинтилляционного детектора при низком остаточном давлении газа (до 10 мм рт. ст.) обеспечивается тем, что герметичный соединитель при размещении на стенке-границе вакуумного объема снабжен технологически простым и надежным в эксплуатации вакуумным уплотнением с постоянными и независимыми от используемого диаметра световода параметрами. При этом установка световода внутрь герметичного соединителя осуществляется по технологии, например, вклеивания с малой площадью контакта по поверхности и большой глубиной клеевого соединения, причем глубина клеевого соединения, при необходимости, может быть дополнительно увеличена за счет увеличения длины герметичного соединителя.
Повышение технологичности конструкции, сборки и обслуживания сцинтилляционного детектора для взрывных и лабораторных экспериментов обеспечено за счет разделения световода на приемный и передающий отрезки с диаметром передающего отрезка, меньшим или равным диаметру приемного отрезка, использованием самоцентрирующихся коннекторов для соединения приемного и передающего отрезков световода, за счет съемной конструкции прижима пленочного сцинтиллятора, за счет возможности установки разборного держателя фильтра излучения, а также за счет возможности оперативной замены и выбора длины и диаметра передающего отрезка световода, которые могут производиться не только до, но и после монтажа и проверки на герметичность герметичного соединителя.
На Фиг. 1 приведена конструкция внутреннего устройства сцинтилляционного детектора, где: 1 - фильтр излучения, 2 - пленочный сцинтиллятор, 3 - приемный отрезок световода, 5 - разборный держатель, 6 - герметичный соединитель, 7 - прижим, 8 - самоцентрирующийся оптический коннектор, 9 - прокладка-уплотнитель, 10 – гайка, 11 - шайба, 12 - стенка-граница вакуумного объема, 13 - крышка, 15 - шпилька.
На Фиг. 2 представлена фотография внешнего вида сцинтилляционного детектора в сборе, где: 4 - передающий отрезок световода, 5 - разборный держатель, 6 - герметичный соединитель, 8 - самоцентрирующийся оптический коннектор, 9 - прокладка-уплотнитель, 13 - крышка, 14 - оптический адаптер.
На Фиг. 3 представлена зависимость от энергии регистрируемых квантов относительной спектральной чувствительности одного из вариантов сцинтилляционного детектора, рассчитанная для поглощающего двухслойного Al-фильтра суммарной толщиной 1 мкм и сцинтиллятора из поливинилтолуола толщиной 200 мкм с использованием сечений из (Callen D.E., Hubbel J.H., Kissel L. EPDL 97: The Evaluated Photon Data Library 97, Version // Lawrence Livermore National Laboratory, Report UCRL-50400, 1997, v. 6, Rev. 5).
На Фиг. 4 представлена характерная осциллограмма импульса МРИ, полученная при помощи варианта сцинтилляционного детектора в одном из экспериментов (временное разрешение составляет 5 нс, в качестве фотоприемника использован фотодиод ФД256).
Сцинтилляционный детектор для регистрации импульсного мягкого рентгеновского излучения включает фильтр излучения 1, пленочный сцинтиллятор 2, фотоприемник и световод, обеспечивающий оптическую связь между пленочным сцинтиллятором 2 и фотоприемником, при этом фильтр излучения 1 установлен с зазором перед пленочным сцинтиллятором 2. Световод разделен на приемный 3 и передающий 4 отрезки, фильтр излучения 1 выполнен сменным и закреплен в разборном держателе 5, сцинтилляционный детектор дополнительно содержит герметичный соединитель 6, во внутрь которого вакуумплотно установлен приемный отрезок световода 3 таким образом, что торцы приемного отрезка световода 3 и герметичного соединителя 6 расположены в одной плоскости и образуют оптический вход, к которому при помощи прижима 7 поджат пленочный сцинтиллятор 2 с обеспечением оптического контакта, другой торец приемного отрезка световода 3 и оба торца передающего отрезка световода 4 оснащены самоцентрирующимися оптическими коннекторами 8, герметичный соединитель 6 снабжен вакуумным уплотнением для размещения на стенке-границе 12 вакуумного объема, детектор также содержит защитную крышку 13, установленную на герметичном соединителе 6 поверх прижимной гайки 7 и используемую для фиксации разборного держателя 5, а коннекторы приемного 3 и передающего 4 отрезков световода соединены друг с другом с помощью оптического адаптера 14, и при этом другой коннектор передающего отрезка световода 4 подключен к фотоприемнику.
22
2
При работе заявляемого сцинтилляционного детектора регистрируемый наносекундный импульс мягкого рентгеновского излучения сначала, как правило, ослабляется расстоянием в вакууме до уровня ~10 квантов/(см⋅с) и затем попадает на фильтр излучения 1. Фильтр излучения 1 сцинтилляционного детектора подобран таким образом, что согласно своему спектральному коэффициенту пропускания блокирует излучение видимого и ультрафиолетового диапазона и избирательно пропускает к пленочному сцинтиллятору 2 регистрируемую часть спектра. Пленочный сцинтиллятор 2 преобразует падающий на его внешнюю поверхность импульс МРИ в люминесцентное излучение оптического диапазона спектра. Люминесцентное излучение пленочного сцинтиллятора 2 через торец приемного отрезка световода 3 выводится из вакуума. Скорость, интенсивность и спектр люминесценции пленочного сцинтиллятора 2 определяются параметрами пленочного сцинтиллятора 2, например его химическим составом и качеством изготовления. Затем, практически без потерь, благодаря использованию оптических коннекторов 8, самоцентрирующихся в оптическом адаптере 14, люминесцентное излучение из приемного отрезка световода 3 поступает в передающий отрезок световода 4. По передающему отрезку световода 4 импульс люминесцентного излучения поступает на фотоприемник. Электрический выход фотоприемника подключен к осциллографу, регистрирующему и отображающему электрический сигнал в виде осциллограммы.
В качестве примера изобретения на Фиг. 1, 2 представлены конструкция и фотография сцинтилляционного детектора, разработанного, изготовленного и прошедшего испытание в экспериментах. В данном сцинтилляционном детекторе использован двухслойный оптически плотный поглощающий фильтр излучения из Al суммарной толщиной 1 мкм. Применен пленочный сцинтиллятор на основе поливинилтолуола толщиной 200 мкм с максимумом люминесцентного излучения 435 нм. Диаметр передающего отрезка световода составляет 400 мкм, что в два раза меньше используемого диаметра приемного отрезка световода. Использованы отрезки кварц-полимерного световода марки КП. В самоцентрирующихся оптических коннекторах использовано соединение ST-типа (Straight Tip/Bayonet Fiber Optic Connector). В качестве фотоприемника использован фотодиод ФД256. Надежность и качество вакуумного уплотнения обеспечены тем, что герметичный соединитель выполнен из латуни и закреплен на стенке-границе вакуумного объема при помощи стальной гайки М8, шайбы и прокладки-уплотнителя, изготовленной из вакуумной резины. Прижим выполнен из латуни и закреплен на герметичном соединителе с помощью резьбы М4. Детали разборного держателя выполнены из нержавеющей стали, соединены друг с другом и закреплены на защитной крышке с помощью винтов с резьбой М2. Фильтр излучения удерживается на полированной поверхности детали разборного держателя силой поверхностного натяжения. Защитная крышка выполнена из латуни и установлена на герметичном соединителе с помощью резьбы М8. Защитная крышка и самоцентрирующийся оптический коннектор приемного отрезка световода зафиксированы шпильками М3. Приемный отрезок световода вакуумплотно вклеен в герметичный соединитель с помощью эпоксидной смолы ЭД-20. Длина герметичного соединителя выбрана оптимальной для толщины стенки-границы вакуумного объема 8 мм. В результате, длина установленной на стенке-границе части сцинтилляционного детектора составляет 80 мм, диаметр - 16 мм.