Газовый сцинтилляционный счетчик электронов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 М С 01 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ К 25 юл. Р ов, Б ов 621. 3 мсков(088.8) 1 сегшап" Т К,К Бр Бигг асе ас 1 сзса сг.е в, 1970,ельауегз1 пу Я41,сгго 155 ство СССР ское свидет 3493506,1/18, 1983. по заявк кл. С 01(54)(57) ГАЗОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙСЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОНОВ, содержащийгерметично закрытый корпус с окнами,заполненный сцинтиллирующей газовойсмесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, ипатрубок для ввода и .вывода газовойсйеси, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью увеличения временного разрешения и упрощения конструкции,.давление газовой смеси составляет (0,20-0,25) х 1 О Па, а концентрация азота 10- 10 мас.7.Изобретение относится к области взаимодействия излучения с веществом и может быть использовано в ядерной и прикладной физике, при регистрации ядерного гамма-резонансного из лучения, в частности в случаях, когда при ядерных переходах наряду с гамма-квантами испускаются электроны внутренней конверсии." Известен детектор конверсионных ц Оже-электронов, содержащий корпус, герметично закрытый крышкой, вовнутренней полости которого находится газовая смесь, патрубок для ввода и вывода газа, катод и анод.15 Электроны в таких детекторах регистрируются по ионизационному эффекту в газе, заполняющем детектор, в котором создано электрическ"е поле ЦОднако использование таких детек торов имеет ряд принципиальных ограничений, связанных с тем, что энер- гетическое разрешение их ограничено величиной энергии ионообразования газа, которая для используемого в этом способе гелия составляет42 эВ, а временное разрешение ограничено временем собирания электронно-ионной лавины, которое составляет несколько десятков микросекунд 30 (-50 мкс) .Наиболее близким техническим решением является газовый сцинтилляционный счетчик электронов, содержащий герметично закрытый корпус с ок нами, заполненный сцинтиллирующей га. зовой смесью из гелия и азота, фотоумножители, сочлененные с окнами, и патрубок для ввода и вывода газовой смеси 2.40В этом счетчике электрическое поле создается из условия, чтобы отношение его напряженности Г к давлению наполняющего газа Р было меньше энергии ионообразования б наполняющего 45 газа, но больше энергии возбуждениягазовых молекул, Концентрация примесной компоненты 8 составляет 0,1-1 мас. .Электроны исследуемого образца, 50 ускоренные электрическим полем, взаи. модействуют в основном с атомами гелия, вызывая либо ионизацию их, либо возбуждение. Возбужденные атомы наряду с первичными электронами пере дают энергию молекулам азота, вызы" вая их ионизацию. Образующиеся при этом электроны, ускоренные электрическим полем, вновь вступают во взаимодействие с молекулами и атомамигаза. При больших потоках первичногоизлучения в регистрирующем объемедетектора образуется пространственныйэлектрический заряд, уменьшающий амплитуду сигнала с детектора и, следовательно, ухудшающий энергетическоеразрешение,Наличие электрического поля в детекторе накладывает ограничения наего конструкцию и геометрию, обусловливая дополнительные требования к отсутствию неровностей на поверхностиисследуемых образцов.Однако принципиальным недостаткомэтого детектора является ограниченное временное разрешение, определяющееся временем собирания электронноионной лавины, которое составляетнесколько десятков микросекунд(-50 мкс).Цель изобретения - увеличение временного. разрешения и упрощение конструкции.Для этого в газовом сцинтилляционном счетчике электронов, содержащем герметично закрытый корпус сокнами, заполненный сцинтиллирующейгазовой смесью из гелия и азота,фотоумножители, сочлененные с окнами,и патрубок для ввода и вывода газо-вой смеси, давление газовой смесисоставляет (0,20-0,25) х 10 Па аконцентрация азота - 10 з - 10 мас, ,.В предлагаемом счетчике уменьшениеудаления смеси от 110 В Па до(0,20-0,25) е 10 Па приводит к увели-,чению яркости спектральных линий гелия и возмбжности устранения электри-.ческого поля.Устранение электрического поляизбавляет от образования электронно-ионных лавин и сокращаетдлительность светового импульсаот -50 мкс до а 190 нс в чистом Не,а добавка 0,001-0,0 О 01 мас. . азотасокращает длительность его со 190 нсдо 90 нс и увеличивает эффективностьрегистрации за счет увеличения яркости азотных линий в спектре излучения газовой смеси.При добавлении к гелию небольшихколичеств азота в спектре излучениясмеси помимо линий, соответствующих/оптическим переходам гелия 3 Р -2 Б,40 - э 2 Р 3 ЗР-з 2 з Б, появляются первая отрицательная система полос моле1кулярного иона азота И, интенсивность которой очень высока, и вторая положительная система полос молекулярного азота, интенсивность которой несколько ниже. Первая отрицательная система полос азота И, появляется в результате реакций Н+ М - И Р 2. ) + Не + Не и Не. + М -фМ (й ) +цл л ч + Не + е и последующего снятия возбужденияи Р 1 )- и ( ) + ь 1 Она состоит из трех линий, и энерге-. тическая щель между состояниями Ец и " Зр 5 ЭВ.Вторая положительная система полос азота появляется в результате реак- ций Не Ж ) + И -И (СП) + 2 Не 5 10 15 20 Энергия, необходимая для возбуждения азота на уровень (0,0) второй положительной системы С П, составляет 10,98 эВ, Это значительно меньше, чем необходимо для получения первого воз.бужденного состояния гелия, поэтому, несмотря на малое количество азота, интенсивность второй положительной системы полос сравнима с суммарной интенсивностьюоптических. переходов З 0 НЕ,Необходимым условием для детектирования электронов с. энергией 1- 10 кэВ является концентрация азота в смеси - 0,001-0,00017 и давления 35 смеси (0,2-0,25) 10 Па. При этом длительность основной компоненты светового импульса составляет - 90 нс.При увеличении концентрации азота снижается интенсивность гелиевых ли ний в спектре, а при концентрации азота больше 0,157 они практически не различимы, что объясняется снижением вероятности оптических,.переходов гелия за счет взаимодействия его 45 с молекулами азота.При увеличении концентрации азота выше 0,0017. возрастает -вероятность столкновений молекулярного иона М с молекулами азота в основном состоя. 50 нии, вследствие чего резко снижается интенсивность первой отрицательной системы. полос И+. Интенсивность втоарой положительной системы полос сни- жается более плавно. Ее уменьшение 55 вызвано тем, что снижается скорость реакций из-за уменьшения количества молекул Не, находящихся в-,+, состоянии, Таким образом, при концентрации азота выше 0,05-0, 17 интенсивность вспышки становится более чем в 20 раз ниже, чем при концентрации 0,0017, и она становится практически неразличимойПри уменьшении концентрации азота ниже 0,00017, интенсивность первой отрицательной системы полос уменьшается более плавно, но резко падает вклад от второй положительной системы полос, так как уменьшается вероятность захвата электронов молекулами азота. При уменьшении концентрации азота до 0,000017., суммарная интенсив ность импульса снижается более чем в 3 раза.Зависимость спектральных линий от давления вызвана.тем, что помимо . взаимодействия с молекулами азота с образбванием молекулярных ионов Б атомы и молекулы гелия могут снимать возбуждение в реакциях типа4 + + + Не + Не-+1 е + е и Не + Не-ф 1 е+ еКроме того, в газе весьма существеннымп будут процессы рекомбинации И(Е) + е. + М и Не + е-ъ Не + Не" .Поскольку время "жизни" излучающего состояния мало ( 1 О с), то7при увеличении давления смеси возбужденный атом испытывает большее число столкновений с атомами НЕ и снижается как вероятность оптических переходов, а следовательно, и интенсивность гелиевых линий, так и вероятность передачи возбуждения молекул Б путем зарядового обмена. При уменьшении давления ниже 0,2 атм падает световыход смеси, поскольку уменьшается общее количество излучающих атомов и молекул.При уменьшении давления смеси ниже 0,2 10 Па резко увеличивается длительность импульса, что связано с тем, что при уменьшении общего количества атомов вероятность переходов между уровнями, имеющими одно и то же квантовое число;становится больше прямых или ступенчатых переходов (вертикальных), и "скатывание энергии возбуждения по уровням 2 Р -2 Р - 2 Б - 28 резко удлиняет импульс, так как время "жизни" каждоо из этих состояний меньше длительности вспышки, т,е. уменьше% ние давления ниже 0,2" 10 Па огранйчено длительностью импульса, а увеличение его выше 0,25 10 Па - интенсивностью линий.При использовании газовой смеси укаэанного состава и .в указанной ,диапазоне давлений приложение электрического ноля не дает .увеличения интенсивности спектра излучения га.зовой смеси, как в обычных газонаполненных детекторах, а частично (до 5- 10%) даже уменьшает ее. Это можно объяснить тем,что молекулярный ион . азота, притягиваясь к отрицательному электроду, перестает участвовать впроцессе излучения и ослабляется самая интенсивная линия спектра.Поскольку отпадает необходимость использования электрического поля, снимаются ограничения на геометрию Содержание И , мас.% Данные таблицы свидетельствуют, что необходимым условием для детектирования электронов с минимальной длительностью импульса является давление смеси (0,20-0,25) " 10 Па и концентрация азота 10- в . 10мас.%.На чертеже схематически изображен предлагаемый счетчик.Счетчик содержит. корпус 1 с крышкой 2, герметичность закрывания которой обеспечивается вакуумными уплс тнениями 3. Корпус и крышка имеют прозрачные для гамма-иэлучесчетчика и на качество поверхностиисследуемого образца, помещаемогов счетчик. Исчезает пространственный 5 заряд, снижающий энергетическоеразрешение и эффективность регистрации.В предлагаемом счетчике почти натри порядка увеличивается быстродей О ствие (при том же энергетическомразрешении), кроме того, электроныс энергиями в диапазоне 0,5"100 кэВрегистрируются нри помощи первичныхсцинтилляций, позволяющих существенно 15 увеличить временное разрешение,В таблице приведены сравнительныеданные по интенсивности световогоимпульса (3) и длительности2 О его для гелиевых смесей различныхсоставов и различных давлений. ния окна 4, расположенные на одной оси. На внутреннюю сторону крышки крепится исследуемый образец 5. Боковые стенки счетчика снабжены окна О ми 6, прозрачными для видимого све"та и ближнего, ультрафиолетового.Корпус счетчика снабжен патрубками 7 для откачки и заполнения газом.Ядерное гамма-резонансное излуче ние попадает в счетчик от мессбауэровского источника 8.Счетчик работает следующим образом.Заказ 5774/4 Тираж 748 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Резонансные гамма-кванты проходят от источника 8 сквозь входное окно 4, попадают в исследуемый обра зец 5, содержащий резонансные ядра, и возбуждают их. При высвечивании энергии возбуждения появляются конверсионные Оже-электроны, которые, вылетев из образца, сталкиваются с молекулами газа, заполйяющего счетчик, и переводят их в возбужденное . состояние. Энергия возбуждения либо высвечивается молекулами гелия, либо в результате столкновений между Не и Н, молекулами М или молекуляр-. ными ионами 11, представляется в виде световых вспышек, которые регистри.руются фотоумножителями, просматривающими объем счетчика сквозь окна.;6. Газ поступает в счетчик из резервуара через патрубок 7.Предлагаемый счетчик благодарявысокому временному и энергетическому разрешению и сохранению эффективности регистрации при наблюдении 10 мессбауэровских спектров в геометриирассеяния проводит селектированиеповерхностных слоев с точностью50-100 А и регистрирует процессы сдлительностью в несколько микросе кунд,происходящие в этих слоях,причем образец может иметь произ вольную геометрическую форму.