Герметичное устройство крепления сцинтилляционного элемента из гигроскопичного материала с повышенными термостойкостью и радиационной прочностью
Полезная модель относится к области физики детектирования ионизирующих излучений. Предлагаемое устройство предназначено для герметичного крепления сцинтилляционных элементов из гигроскопических материалов (например, бромида лантана) и обеспечивает улучшенные термическую и радиационную стабильность работы радиационных детекторов с использованием указанных материалов. Отличительным признаком предлагаемого устройства от имеющихся систем крепления с аналогичным назначением является новый прием обеспечения оптического контакта между сцинтилляционным кристаллов и выходным окном. Вместо обычно используемой для этой цели оптически прозрачной вязкой иммерсионной смазки применяется локальное пластическое деформирование области контакта между кристаллом и окном, за счет чего зазор между ними доводится до нескольких нанометров. Так указанный зазор значительно меньше длин волн излучаемого при сцинтилляциях света, величина оптического отражения на границе окна и кристалла существенно уменьшается, становясь сравнимым с аналогичной величиной при использовании иммерсионной смазки. Но ввиду ее отсутствия устраняется наиболее слабое с точки зрения воздействия радиации и перепадов температуры звено, за счет чего и достигается значительное повышение радиационной и температурной стойкостей устройства.
Полезная модель относится к детектированию ионизирующих излучений, более конкретно - к определению энергетического спектра и интегральной интенсивности потока ионизирующих частиц и применяется в:
- оборудовании медицинской диагностики;
- астрофизике и физике высоких энергий;
- приборах радиационного контроля и инспекционных установках;
- спектрометрах и радиометрах.
Из близких по устройству и назначению предмету данного патента известен герметичный сцинтилляционный элемент, который состоит из гигроскопичного сцинтилляционного монокристалла, помещенного в герметичный влагозащитный кожух с выходным окном, прозрачным для излучаемого сцинтиллятором света. Для улучшения световыхода и энергетического разрешения в сцинтилляционном детекторе подобного типа зазор между торцевой поверхностью кристалла и выходным окном кожуха заполняется вязкой оптически прозрачной иммерсионной смазкой, которая обеспечивает высокое качество оптического контакта кристалла и окна (патент США US 4280051 с приоритетом от 21 июля 1981 года).
НЕДОСТАТКИ ВЫБРАННОГО ПРОТОТИПА.
Использование для улучшения оптического контакта между сцинтилляционным кристаллом и выходным окном оптически прозрачной вязкой иммерсионной смазки имеет два недостатка, существенно снижающих термическую стойкость и радиационную прочность сцинтилляционного элемента. Во-первых, при сравнительно малых изменениях температуры, когда эксплуатационные параметры твердотельных компонентов не выходят за допустимые пределы, иммерсионная смазка может претерпеть настолько существенные изменения вязкости, адгезии к поверхностям окна и кристалла, а также удельного объема, что качество оптического контакта значительно ухудшится за счет появления разрывов сплошности в соединении окна с кристаллом. Во-вторых, органические молекулы, обычно составляющие основу иммерсионной смазки, более подвержены структурным нарушениям под действием ионизирующих излучений по сравнению с твердотельными компонентами. Таким образом, органическая иммерсионная связка является самым слабым звеном в устройстве герметичного крепления сцинтилляционных кристаллов по отношению к термическим и радиационным воздействиям.
Технический результат, для достижения которого предназначена заявляемая полезная модель, заключается в создании такого устройства крепления гигроскопичного сцинтилляционного кристалла, в котором улучшены термическая стойкость и радиационная прочность при сохранении качества оптического контакта между кристаллом и выходным окном.
Для достижения этого технического результата применяется альтернативный способ создания высококачественного оптического контакта между сцинтилляционным кристаллом и выходным окном, устраняющий иммерсионную смазку между ними. Это обеспечивается прижиманием выходного окна к поверхности сцинтилляционного кристалла при подогреве устройства, настолько повышающего пластичность приповерхностного слоя кристалла, что за счет локального нанокристаллического деформирования зазор между ним и окном снижается до наноскопических масштабов, становясь значительно меньше длины волны излучаемого при сцинтилляциях света. Для того, чтобы величина зазора не увеличивалась при температурных изменениях в процессах изготовления и эксплуатации сцинтилляционного элемента, материал для выходного окна устройства подбирается с условием близости коэффициента его термического расширения к коэффициенту термического расширения кристалла.
Отличительными особенностями предлагаемого устройства являются:
1) Оптический контакт между сцинтилляционным кристаллом и выходным окном обеспечивается снижением зазора между ними до наноскопических масштабов, значительно меньших длины волны излучаемого при сцинтилляциях света, посредством прижатия окна к кристаллу в условиях, обеспечивающих локальное нанокристаллическое деформирование приповерхностных слоев.
2) Сохранение наноскопических масштабов зазора между кристаллом и выходным окном обеспечивается достаточной близостью коэффициентов термического расширения сцинтилляционного элемента и окна в диапазоне температур изготовления, хранения и эксплуатации сцинтилляционного устройства.
Пример:
Сцинтилляционные кристаллы бромида лантана LaBr 3, которые по сочетанию плотности, эффективности преобразования энергии поглощенных гамма - квантов в световое излучение, быстродействия и энергетического разрешения являются наилучшими на данный момент сцинтилляторами, характеризуются настолько высокой гигроскопичностью, что за несколько секунд пребывания на открытом воздухе с умеренной влажностью (на уровне 30-50%) их поверхность от аномально быстро впитываемых молекул воды превращается в желеобразный слой с резко ухудшившимися оптическими и светоизлучательными характеристиками. По этой причине для полного устранения возможностей контакта кристаллов бромида лантана с атмосферной влагой их обработку производят в обезвоженной среде, а для использования в сцинтилляционных детекторах кристаллы подобного типа помещают в герметичные оболочки, имеющие входное окно, прозрачное для регистрируемого ионизирующего излучения, и выходное окно, прозрачное для сцинтилляционного света. Обычно для устранения потерь сцинтилляционного света за счет рассеяния его в зазоре между выходным окном и поверхностью сцинтилляционного кристалла указанный зазор заполняется вязкой оптически прозрачной смазкой на органической основе, в результате чего светопропускание стыка между кристаллом и окном существенно улучшается. Однако прозрачные органические смазки затвердевают при минусовых температурах, в результате чего сплошность зазора между окном и кристаллом нарушается, вызывая ухудшение регистрационных характеристик сцинтилляционного элемента.
Для устранения этого недостатка выходное окно изготавливается из монокристаллического лейкосапфира, коэффициент термического расширения которого достаточно близок к коэффициенту термического расширения кристаллов бромида лантана. Оптический контакт между выходным окном и сцинтилляционным кристаллом бромида лантана обеспечивается не введением в зазор вязкой оптически прозрачной смазки, а прижатием выходного окна к кристаллу при температуре, повышенной настолько, чтобы приповерхностный слой кристалла бромида лантана стал достаточно пластичным для сближения контактных поверхностей кристалла и окна до наноскопических расстояний посредством локального пластического деформирования приповерхностного слоя при адекватных величинах нагрузки и длительности деформирования. После создания таким образом оптического контакта в паре кристалл - окно указанная пара помещается в герметизируемое устройство крепления.
Герметичное устройство для крепления сцинтилляционного элемента с повышенными термостойкостью и радиационной прочностью, содержащее корпус с входным окном, прозрачным для измеряемого ионизирующего излучения и выходным окном, прозрачным для излучаемого при сцинтилляциях света, отличающееся тем, что оптический контакт между сцинтилляционным кристаллом и выходным окном обеспечивается снижением зазора между ними до наноскопических масштабов, значительно меньших длины волны излучаемого света, посредством прижатия окна к кристаллу в условиях, обеспечивающих локальное нанокристаллическое деформирование приповерхностных слоев, а сохранение наноскопических масштабов между кристаллом и выходным окном обеспечивается достаточной близостью коэффициентов термического расширения сцинтилляционного элемента и окна в диапазоне температур изготовления, хранения и эксплуатации сцинтилляционного устройства.
