Способ детектирования заряженных частиц

 

СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ путем регистрации обратно рассеянного.излучения, заключающийся в том, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель и после обратного рассеяния регистрируют частицы счетчиком, о тличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности регистрации компонента тяжелых частиц в присутствии фона быстрьк электро-, нов, в качестве рассеивателя используют кристаллическую фольгу толщиной много меньше пробега электронов, коллимированный пучок частиц направляют к ее поверхности под углом меньше критического угла плоскостного каналирования для тяжелых частиц, i а счетчик частиц устанавливают под углом рассеяния, равным углу йаде (Л ния .пучка. N9 Од

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„.Я0„;, 1126) 04 A (5и 4 G 01 T 1/16 (21) 3632853/18-25. (22) 12.08.83 (46) 30.04.86. Бюл. ¹ 16 (7 1) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском по-. литехническом институте (72) С.А.Воробьев, Е.Г.Вяткин, В.И.Гриднев и Е.И.Розум (53) 621.387.424(088.8) (56) Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Иатусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. Атомиэдат., 1970, с. 384, 459.

Авторское свидетельство СССР №- 449640;.кл. G 01 Т 1/10, 1971. (54)(57) СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ путем регистрации обратно рассеянного излучения, заключающийся в том, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель и после обратного рассеяния регистрируют частицы счетчиком, о тл и ч а ю шийся тем, что, с . целью увеличения эффективности регистрации компонента тяжелых частиц в присутствии фона быстрых электронов, в качестве рассеивателя исполь-.

-зуют кристаллическую фольгу толщиной много меньше пробега электронов, коллимированный пучок частиц направляют к ее поверхности под углом меньше критического угла плоскостного каналирования для тяжелых частиц, а счетчик частиц устанавливают под углом рассеяния, равным углу падения .пучка.

1126 104

При обратном рассеянии электроны эффективно отражаются от слоя ве- 55 щества с большим атомным номером 2 а тяжелые частицы вследствие значительно меньшей эффективности обратИзобретение относится к области технической физики, к способам регистрации ядерных и космических излучений и детекторам заряженных частиц, используемым в смешанных потоках излучений.

Известны многочисленные способы детектирования заряженных частиц и устройства для их реализации, использующие различные физические эффекты взаимодействия заряженных частиц с веществом. В случае необходи.мости предварительной сепарации компонентов пучков заряженных частиц в смешанных потоках эффективно использовать способ разделения тяжелых заряженных частиц и быстрых электронов в магнитных или электрических полях в устройствах типа спектрометров или анализаторов частиц. В таком способе используется эффект отклонения разноименно заряженных частиц в противопложные стороны при влете в поперечное внешнее поле. На выходе из внешнего поля электроны и положительно заряженные частицы регистрируются соответственно различными счетчиками частиц. Недостатками такого способа регистрации заряженных частиц являются большие габариты соответствующих устройств, большой вес таких спектрометров и громоздкость схем и устройств их питания.

Во многих случаях, особенно в способах регистрации космических излучений,. реализуемых на искусственных спутниках Земли, эти недостатки существенно ограничивают использование способов детектирования заряженных частиц на основе сепарации их пучков в магнитных или электрических устройствах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ детектирования электронов в присутствии фона тяжелых заряженных частиц путем регистрации обратно рассеянного излучения, заключающийся в том, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель под углом и после обратного рассеивания регистрируют частицы счетчиком.

50 ного рассеяния не рассеиваются и поэтому не регистрируются счетчиком, С целью увеличения угловой апертуры счетчик располагают на расстоянии порядка длины рассеивателя, облучаемого электронами из полупространства. При реализации данного способа счетчик располагают над центром круглого рассеивателя, в качестве которого может быть использовано любое вещество с большим атомным номером 2 . С увеличением повышается эффективность детектора, и диаграмма угловой чувствительности становится более ровной. Толщина рассеивателя должна быть не менее длины пробега наиболее энергичных электронов, которые должны быть зарегистрированы. Выбором толщины рассеивателя .можно осуществить дискриминацию электронов больших энергий, если регистрация их нежелательна. В качестве счетчика может быть использован любой детектор, регистрирующий электроны в заданном диапазоне энергий, например торцовый газоразрядный счетчик.

В таком способе решается задача ,цетектирования одного сорта заряженных частиц на фоне частиц другого сорта заряженных частиц на фоне частиц другого сорта с использованием эффекта обратного рассеяния. Используя особенности рассеяния частиц на аморфной мишени удается эффективно зарегистрировать электрона на фоне тяжелых частиц. Решить обратную задачу, т.е. вццелить компоненту тяжелых заряженных частиц на фоне быстрых электронов при сравнительно равных величинах интенсивности потоков частиц двух указанных сортов в данном способе можно пытаться путем уменьшения толщин рассеивателя до толщин много меньше длин пробега электронов. Поскольку пробеги тяжелых заряженных частиц гораздо меньше пробегов быстрых электронов, то число отраженных тяжелых частиц от тонкой фольги существенно не уменьшится, а быстрые электроны будут пролетать через фольгу без рассеяния.

Однако и в этом случае эффективность регистрации тяжелых заряженных частиц может быть повышена, но будет сравнимой с эффективностью регистрации быстрых электронов, т.е. детектировать тяжелые частицы в присутст3 1 вии фона электронов не представляется возможным.

Целью изобретения является увеличение эффективности регистрации компонента тяжелых частиц в присутствии фона быстрых электронов.

Цель достигается тем, что по способу детектирования заряженных частиц путем регистрации обратнорассеянного излучения, заключающемуся в том, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель под углом и после обратного рассеяния регистрируют частицы счетчиком, в качестве рассеивателя используют кристаллическую фольгу толщиной много меньше пробега электронов, коллимированный пучок частиц направляют под углом к ее поверхности меньше критического угла плоскостного каналирования для тяжелых частиц, а счетчик частиц устанавливают под углом рассеяния, равным углу падения пучка частиц, При падении положительно заряженных частиц на кристаллическую фольгу под углом р, где ) — критический угол плоскостного каналирования, вдали от главных кристаллографических осей частицы испытывают зеркальное отражение в потенциале кристаллографической плоскости на поверхности фольги. При этом происходит практически 100Х-ное отражение частиц, которые рассеиваются, под углом, равным углу падения частиц.Из физических принципов взаимодействия быстрых электронов с потенциалом атомной плоскости следует, что потенциал плоскости для них не .является отражательньм. Отрицательно заряженные электроны испытывают эффект притяжения положительным зарядом атомной плоскости и взаимодействуют с рассеивателем как. с аморфной мишенью. Поскольку толщина фольги — рассеивателя много меньше пробега электронов, то выход обратного рассеяния для них минимален и не превьппает долей процента от величины падающено пучка по сравнению со 1007-ным отражением пучка тяжелых заряженных частиц. Эффективность детектирования заряженных частиц будет оптимальной, если использовать счетчик с апертурой, равной длине рассеивателя, так как пучок протонов отражается зеркально и без увеличения угловой расходимости.

126104

l5

При этом оптимально размещать счетчик на расстоянии примерно половины длины рассеивателя, что исключает перекрывание счетчиком падающего пучка. Нижний предел энергетического диапазона определяется порогом счетчика, верхний — точностью ориентации кристаллической пластины и составляет 10-12 МэВ.

На фиг. 1 представлена геометрия измерений на фиг. 2 — график углового распределения протонов °

Геометрия реализации данного способа -выглядит следующим образом (см. фиг. 1). Пучок протонов с энергией Е = 10 МэВ падает на поверхностную грань (100) кристалла вольфо рама толщиной 100 А под углом8 < 8 — — угол между плоскостью падения пучка и кристаллографическим направлением (100 2 поверхности грани.

Конфигурация поверхностей отражения, грани (110) и (100) вольфрама, выбирались теми же, что.и в объеме кристалла. Энергетическими потерями протонов при отражении можно пренебречь вследствие их малости (длина пробега протонов вдоль поверхности кристалла до отражения Р = h/2, где

3 — длина волны осцилляции частицы в плоскостном канале кристалла).

Методом машинного моделирования траекторий рассеянных протонов было определено, что критический угол каналирования для протонов с энергией Е = 10 МэВ составляет для (100) плоскости вольфрама 2 мрад,.а для (110) плоскости около 3 мрад.

При 0 (все частицы падающего на кристалл пучка отражаются первым атомным слоем поверхности кристалла.

Ца фиг. 2 представлено угловое распределение протонов с энергией

10 МэВ, отраженных гранью (100) вольфрама, усредненное по азимутальному углу у, для угла падения

0„9 . Число частиц в падающем пучке

N = 1000, температура кристалла Т = — 293, (, = 0,12 мрад, т.е. плоскость падения пучка далеко отстоит от плотноупакованных кристаллографических направлений поверхности, Как видно, практически все падающие частицы (площадь под приведенной кривой) отражаются почти зеркально от поверхности кристалла, т.е. угловое распределение является симметричным с центром вблизи угла падения, его

5 полуширина на полувысоте составляет примерно g g 1/2 = 0,016.

Для электронов с энергией F..=10 Мэ коэффициент обратного рассеяния в случае их падения под углом 6 =

2 мрад .на грань (100) вольфрама толщиной 200 А составпяет не более

О, 1Х под углом 8 "- В, а угловая ширина отраженного пучка близка к диффузному распределению, т.е. ь9„,-0,5 рад.

126104 кристалла, то, устанавливая некоторый угол ориентации, возможно доВ биться также некоторой сепарации частиц по энергии, так как часть потока более медленных частиц не испытывает зеркального отражения. По сравнению с базовым объектом, в качестве которого выбирают способ наложения сепарирующих электрических

1р или магнитных полей, предлагаемый способ также позволяет достичь положительный эффект. Этот эффект выражается в значительном снижении габаритов и веса устройства для реализации предлагаемого способа. Если в базовом объекте для детектирования протонов с энергией 10 МэВ на фоне быстрых электронов необходимо использовать электромагниты весом до

2ц 200-300 кг и соответствующие схемы их питания, то вес устройства в настоящем способе детектирования не будет превышать 3-5 кг, включая устройства для ориентации мишени.

Таким образом, из-за малого коэффициента обратного рассеяния электронов и резко направленного отражения пучка тяжелых частиц с близкой к

100Х эффективностью возможно детектировать пучки быстрых тяжелых заряженных частиц на фоне электронного потока, что обеспечивает достижение положительного эффекта. Поскольку критический угол каналирования равен

q "- (27 е /EJ), где 2е — заряд частицы; E — ее энергия; cI — параметр

0 фиг.2

Редактор О.Юркова

Техред H.Яонкало

Корректор M.Øàðoøè

Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 2331/3

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4