Датчик для рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором

Изобретение относится к устройствам для спектрометрии рентгеновского или излучения , включающих датчики на основе полупроводниковых детекторов излучения, охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников. Цель изобретения - увеличение временной стабильности энергетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы. Датчик содержит вакуумированную капсулу 1 с входным берилливым окном, внутри которой размещен термоэлектрический холодильник 4. На теплопоглощающих спаях холодильника расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6. Капсула снабжена герметичным корпусом 10с инертной средой и размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником 9. Капсула расположена на теплопоглощающих спаях холодильника и соединена с корпусом 10 посредством гибкой мембраны из материала с низкой теплопроводностью . 1 ил. со С

22

Изобретение относится к устройствам для спектрометрии рентгеновских или гамма-лучей , а конкретно к датчикам на основе полупроводниковых детекторов (ППД) излучения , охлаждаемых с помощью термоэлектрических холодильников, и может быть использовано в условиях полевых работ, связанных с ядерно-геофизическими измерениями , в частности в полевых и бортовых приборах для определения элементного состава проб геологических объектов.

Известен датчик для рентгенорадио- метрического анализатора, содержащий полупроводниковый детектор и полевой транзистор головного каскада предусилите- ля, установленные на теплопоглощающих спаях термоэлектрического холодильника и помещенные в вакуумированную капсулу, имеющую входное бериллиевое окно и радиатор .

Недостатком известного устройства яв ляются большая потребляемая мощность используемого охладителя (330-420 Вт), значительные габариты (160x165x232 мм), а также необходимость постоянной откачки вакуумированного объема. Эти недостатки обусловлены тем, что стенки вакуумирован- ной капсулы, находящиеся при комнатной температуре, являются источником теплового излучения. В результате излучения ра- диационные теплопритоки создают большую тепловую нагрузку на теплопогло- щающие спаи термоэлектрического охладителя (ТЭО), вынуждая увеличивать его холодопроизводительность. Наличие же в вакуумированном объеме мощного охладителя приводит к существенным газовыделениям , а следовательно, и к необходимости постоянной откачки вакуумированного объекта .

О

-N о

NO

Наиболее близким к изобретению является датчик для рентгенорадиометрическо- го анализатора с полупроводниковым детектором, содержащий вакуумированную капсулу с входным бериллиевым окном и размещенным в нем ТЭО, на теплопоглоща- ющих спаях которого расположены детектор и полевой транзистор головного каскада предусилителя. ТЭО имеет два разветвления с различными наборами термоэлементов , обеспечивающих на одном разветвлении режим максимального охлаждения , а на другом - режим максимальной холодопроизводительности. На теплопог- лощающем спае первого разветвления размещен детектор, на теплопоглощающем спае второго разветвления - ППД. Капсула помещена в корпус скважинного снаряда и герметично закрыта бериллиевым цилиндром .

Описанная конструкция датчика имеет следующие недостатки. Во-первых, радиатор , а следовательно, и корпус капсулы, имеющий температуру окружающей среды, при ее повышении являются источником теплового излучения на близкорасположенные теплопоглощающие спаи ТЭО, создавая на них значительную тепловую нагрузку. В результате мощность ТЭО, примененного в конструкции,равная примерно 15 Вт, при повышении температуры окружающей среды становится недостаточной для поддержания температуры ППД и полевого транзистора на требуемом уровне, Кроме того, примененный в описанной конструкции ТЭО вследствие сильно развитой поверхности является источником больших газовыделений и не позволяет поддерживать в рабочем объеме давление ниже 10 . мм рт.ст. без постоянной откачки. Во-вторых , сложность конструкции с двумя разветвлениями , работающими в разных режимах, не позволяет применить при сборке высокотемпературные припои, а следовательно, провести достаточное обезгаживание. Указанные недостатки приводят к уменьшению временной стабильности энергетического разрешения, повышению эксплуатационных расходов.

Цель изобретения -увеличение временной стабильности энергетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы.

Указанная цель достигается тем, что в датчике для рентгенорадиометрического анализатора с полупроводниковым детектором , содержащем вакуумированную капсулу с входным бериллиевым окном и размещенным в ней термоэлектрическим холодильником, на теплопоглащающих спаях которого расположены детектор и полевой транзистор головного каскада предусилителя , капсула дополнительно снабжена герметичным корпусом с инертной средой и

размещенным в нем каскадным термоэлектрическим холодильником, причем капсула расположена на теплопоглощающих спаях холодильника, соединена с корпусом посредством гибкой мембраны из нержавею0 щей стали, ковара или титана.

Дополнительное снабжение датчика герметичным корпусом с инертной средой снижает конвективные теплопритоки, приводящие к уменьшению нагрузки термоэлект5 рического холодильника, размещенного в корпусе, а тем самым позволяет максимально подохладить стенки капсулы и ее основание , а следовательно, и тепловыделяющий спай холодильника, размещенного внутри

0 капсулы. Подохлаждение капсулы и тепловыделяющего спая ее ТЭО максимально снижает радиационные теплопритоки на теплопоглощающий спай и плату с детектором , что позволяет с помощью менее мощ5 ного (с менее развитой поверхностью) холодильника охладить ППД и полевой транзистор до требуемой температуры, при которой датчик имеет приемлемое для целей рентгенорадиометрического анализа

0 энергетическое разрешение. За счет достижения стабильности температуры теплопог- лощающего спая ТЭО с датчиком и ППД обеспечивается увеличение временной стабильности энергетического разрешения.

5 Использование в капсуле холодильника с малой мощностью, небольшой боковой поверхностью и скоммутированного высокотемпературными припоями позволяет провести термовакуумное обезгаживание,

0 гарантирующее длительную работу без постоянной или периодической откачки, а сле- довательно,иуменьшение

эксплуатационных расходов.

Применение мембраны из низкотеплоп5 роводного материала позволяет уменьшить теплопритоки со стенок корпуса на крышку капсулы и сдемпфировать механические напряжения , возникающие при охлаждении элементов конструкции и обусловленные

0 разницей в температурных коэффициентах расширения конструктивных материалов, и тем самым уберечь ТЭО от разрушения.

На чертеже представлен датчик, общий вид.

5 Датчик содержит вакуумированную капсулу 1 с входным бериллиевым окном 2, смонтированным на крышке 3, через которую осуществляется откачка и герметизация внутреннего объема капсулы 1. Внутри капсулы 1 расположен термоэлектрический

холодильник 4, на теплопоглощающих спаях которого расположены полупроводниковый детектор 5 и полевой транзистор 6.

Холодильник 4 помещен в расположенный на основании капсулы 1 экран 7, на котором смонтированы титановые газопоглотители 8. Основание капсулы 1 припаяно к каскадному термоэлектрическому холодильнику 9 (бозовый холодильник), размещенному в герметичном корпусе 10. Капсула 1 крепится к корпусу 10, внутренний объем которого откачан через штенгель 11 и заполнен инертным газом посредством гибкой мембраны 12. Базовый холодильник 9 в свою очередь припаян к радиатору 13, являющемуся основанием несущего корпуса 14, на котором смонтировано устройство 15 пробоподачи с радиоизотопным источником 16 и прободержателем 17. Питание холодильников 4 и 9, детектора 5 и вывод информации осуществляется через гермов- воды 18 и 19, а связь с внешними устройствами - через герморазъем 20. Предварительный усилитель смонтирован на плате 21 и расположен в корпусе 22.

Датчик работает следующим образом.

При подаче напряжения на базовый холодильник 9 его теплопоглощающий спай и основание капсулы 1 начинают охлаждаться , а следовательно, охлаждаются тепловыделяющий спай холодильника 4 и экран 7.

При достижении минимальной температуры охлаждения подается питание на хо- лодильник 4, расположенный в вакуумированной капсуле 1, вакуум в которой поддерживается предварительно активированнымититановыми газопоглотителями 8, в результате через 1- 2 мин и температура охлаждения детектора 5 и полевого транзистора 6 достигает -100 °С.

Тепло с тепловыделяющих спаев холодильника 4 поглощается теплопоглощаю- щими спаями базового холодильника 9, а тепло с тепловыделяющих спаев холодильника 9 отводится с помощью радиатора 13. Кванты характеристического рентгеновского излучения, возбуждаемые в пробе (не показана ), закрепленной в прободержателе 17, поддействием первичного излучения радиоизотопного источника 16 через берилли- евое окно 2 капсулы 1 попадают на полупроводниковый детектор 5 и, поглощаясь в его рабочем объеме, образуют электронно-дырочные пары, заряд которых пропорционален энергии поглощенного кванта. Перемещаясь под действием электрического поля, созданного в детекторе 5 внешним источником смещения (не показан ), образованный заряд индуцирует во

внешней электрической цепи детектора 5 импульс, который усиливается полевым транзистором 6 и подается через гермовво- ды 18 и 19 на предварительный усилитель,

смонтированный на плате 21, и далее через герморазъем 20 - к анализатору импульсов (не показан).

Согласно изобретению был изготовлен и испытан опытный образец датчика с полу0 проводниковым детектором и термоэлектрическим охлаждением.

Корпус датчика диаметром 110 мм и высотой 100 мм выполнен из нержавеющей стали. На корпусе смонтировано устройство

5 пробоподачи диаметром 56 мм и высотой 50 мм.

Основным конструктивным элементом датчика является капсула, представляющая собой стеклянный цилиндр (стекло С-50-2) с

0 гермовводами и коваровыми (29 НК-ВИ) основанием и крышкой. В экране из тонкого никелевого листа, к двум сторонам которого приварены два нераспыляемых титановых газопоглотителя ПНТ-2, расположен пяти5 каскадный микроохладитель мощностью 6 Вт. НатеплопоглощающемспаеТЭО расположена поликорундовая плата, к которой припаяны Si(Li) детектор $1 мм, высотой 3 мм и полевой транзистор А-648. На плате же

0 расположен пленочный резистор обратной связи. Откачка капсулы осуществляется специальным откачным устройством через отверстие в крышке для входного бериллиевого окна, а герметизация осуще5 ствлялась бериллиевой пластиной с уплотнением индиевой проволокой р 0,7 мм. Вакуум в капсуле обеспечивается вакуумной технологией сборки и очистки ТЭО и составляет 10 мм рт.ст.

0 Металлостеклянная капсула припаяна на теплопоглащающий спай двухкаскадного базового ТЭО мощностью Вт, охлаждающий тепловыделяющий спай ТЭО, находящегося в капсуле, до температуры -40°С.

5 Миниатюрный шестиваттный ТЭО охлаждает плату с детектором и полевым транзистором до температуры-100°С.

Базовый ТЭО тепловыделяющим спаем припаян к радиатору, являющемуся основа0 нием корпуса, внутренний объем которого заполнен ксеноном. Верхней частью корпуса служит тонкая (0,04 мм) гибкая гофриро- ванная мембрана, вакуумплотно закрепленная по внешнему диаметру на

5 стенках корпуса, а по внутреннему - на крышке капсулы.

Пенопластовый кожух, проложенный между корпусом датчика и несущим корпусом , на котором смонтированы устройство пробоподачи и радиоизотопный источник,

служит для дополнительной теплоизоляции корпуса.

Информационный сигнал с детектора через гермовводы поступает на предусили- тель с резистивной обратной связью, распо- ложенный в общем корпусе.

Применение вакуумных конструктивных материалов для изготовления капсулы и элементов конструкции внутреннего объема (стекло, ковар, никель), сведенные к ми- нимуму размеры ТЭО - основного источника газовыделения и специальная технология его изготовления и очистки, применение титановых газопоглотителей большой емкости позволяют поддерживать в капсуле вакуум 10 . мм рт.ст. в течение 12 лет.

Испытания показали, что по сравнению с прототипом эксплуатационные расходы снизились в 3-5 раза;.датчик обеспечивает и поддерживает значение энергетического разрешения 350-10 эВ на линии К 5,9 кэВ в течение не менее 1 года.

Формула изобретения

Датчик для рентгенорадиометрическо- го анализатора с полупроводниковым де-

тектором, содержащий несущий корпус, основанием которого является радиатор, размещенную внутри несущего корпуса вакуумированную капсулу с расположенным в ней термоэлектрическим холодильником , на теплопоглощающих спаях которого размещены детектор и полевой транзистор, отличающийся тем, что, с целью увеличения временной стабильности энергетического разрешения за счет создания оптимального теплового режима работы, между дном капсулы и радиатором размещен дополнительный термоэлектрический холодильник, тепловыделяющие спаи которого имеют тепловой контакт с радиатором , а теплопоглощающие спаи соединены с дном капсулы, при этом капсула с дополнительным холодильником размещены в дополнительном корпусе, основанием которого является радиатор, заполненном инертной средой, а крышка капсулы соединена с этим корпусом посредством гибкой мембраны, выполненной из материала с низкой теплопроводностью.