Шаровой счетчик для селективной регистрации глобальной интенсивности частиц высокой энергии

 

Класс 23g, )8„

Ж 125842

"СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

А. П. Шатилов и Т, П. Шатилова

ШАРОВОЙ СЧЕТЧИК ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ РЕГИСТРАЦИИ

ГЛОБАЛЬНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ЧАСТИЦ

ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ

Заявлено 3 марта 1959 г. ва № 620958/26 в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Опубликовано в «Бюллетене иаооретеиий» № 3 ва 1960 г.

Предлагается шаровой счетчик (ШС) для селективной регистрации глобальной интенсивности проникающей радиации и частиц высокой энергии. ШС позволяет работать в условиях фона малоэнергичных частиц и может быть использован, например, при изучении первиЧного космического излучения на высотах более 1000 км, при исследовании радиации вблизи эпицентра взрыва атомного устройства, в активной зоне реактора и т. и. В ШС используются эффект Черенкова и способность некоторых кристаллов светиться под действием радиации, т. е. сцинтиллировать.

Применение черенковского и сцинтилляционного счетчиков, регистрирующих отдельные компоненты излучения, требует управляющей системы с поглотителями, фильтрующими это излучение для выделения искомой компоненты. Управляющее устройство, выполняемое обычно в виде «телескопа» из счетчиков Гейгера, в случае наличия сильного фона из малоэнергичных частиц работает очень ненадежно, так как его разрешающее время определяется скоростью работы счетчиков Гейгера.

Экранирование счетчиков увеличивает количество вещества перед детектором и искажает результаты измерений. При селективной регистрации излучения установками любого типа необходимо, чтобы пути (l) частиц

11 через детектор были в известной мере одинаковы т. е. — — (> 1. Эго э / налагает ограничения на величину «телесного угла», перекрываемого установкой, в которой регистрируются частицы, а при ограниченных ее размерах на величину «геометрического фактора» (1) в случае изотроп. ного излучения, кроме всего прочего, необходимо применять специальные меры против «обратных» частиц, идущих в том же «телесном угле», «Геометрическим фактором установки» (Г) называется некоторая постоянная величина, определяемая геометрией установки, при умножении которой на поток частиц, падающих на единицу поверхности в единице № 125842 телесного угла за единицу времени, получаем количество частиц, регистрируемых установкой в единицу времени.

Описываемый счетчик изображен на фиг. 1 и 2. Он представляет собой систему, дающую возможность объединить детектор Черенкова, сцинтилляционный счетчик и поглотитель (замедлитель), причем во время работы счетчика сочетание импульсов на выходах электронных фотоумножителей (ФЭУ) такова, что позволяет отобрать импульсы от чаЫ стиц, для которых ((1 с задаваемой при конструировании точностью.

Шаровой счетчик (ШС-1) выполнен в виде шара 1 из прозрачного материала, покрытого отражающим слоем (Al, Ag, MgO и т. д.). Шар является детектором Черенкова. В центре шара помещается сцинтиллятор 2, сочлененный со светопроводом С. Форма сцинтиллятора произвольная; светопровод необязателен в случае, если имеется тонкий торцовый фотоумножитель, так как это сделано в реальной конструкции (фиг. 2). Для сцинтиллятора и светопровода в черенковском детекторе имеется полость, также покрытая отражающим веществом. Сцинтеллятор и светопровод оптически отделены от черенковского детектора. Для сбора света детектор Черенкова имеет «окно> (поверхность «окна» фрезеруется и шлифуется), имеющее оптический контакт с фотокатодом умножителя 8 (ФЭУ 1) . ФЭУ 1 регистрирует только вспышки излучения

Черенкова. Для лучшего разрешения света по интенсивности наиболее целесообразно применять спектроскопические фотоумножители. Предпочтение следует отдавать фотоумножителям с большим фотокатодом.

Второй фотоумножитель 4 (ФЭУ 2) имеет оптический контакт со светопроводом или непосредственно со сцинтиллятором и регистрирует вспышки света только от сцинтиллятора.

Благодаря такой конструкции ппохождение частиц через центр шара вызовет вспышки света раздельно в черенковском детекторе и сцинтилляторе (центральный чувствительный элемент), которые зарегистрируются соответствующим ФЭУ. Импульс напряжения на выходе ФЗУ 1 пропорционален квадрату заряда частицы, вызвавшей радиацию Черенкова, а импульс на выходе ФЗУ 2 указывает на факт прохождения частицы через центральный чувствительный элемент, что обозначает прохождение частицы по Мути близкому к диаметру шара. Это справедливо в том случае, когда эффективный радиус сцинтиллятора меньше радиуса

Я внешнего шара. Для обеспечения 0,05 необходимо, чтобы эффективный радиус сцинтиллятора составлял примерно / радиуса детектора Черенкова.

ll1C сочетает в себе преимущества черенковского и сцинтилляционного счетчиков, включенных на совпадение (антисовпадение), кроме того ШС органически включает в себя поглотитель (замедлитель), обесп чивающий поглощение малоэнергичных частиц или замедление нейтронов, в зависимости от поставленной задачи. LllC имеет смысл применять в том случае, когда исследуется глобальная интенсивность той или иной компоненты высокоэнергичного излучения и особенно тогда, когда это излучение изотропно и сопровождается интенсивным фоном малоэнергичных частиц.

При использовании в приборе двух существенно различных явлений для регистрации частиц счетчик приобретает новое качество, так как эффект Черенкова имеет место только для заряженных частиц, обладаюс щих скоростью больше чем, где и — показатель преломления вещеи ства черенковского детектора, а с — скорость света в вакууме, при включении ФЭУ 2 на совпадении регистрируются только те частицы, которые № 12584? имеют скорость (энергию) выше пороговой, т. е. в той области, где количество фотонов на единицу пути, высвечивающееся в сцинтилляторе, не зависит от энергии (слабый логарифмический рост) и пропорционально квадрату заряда частиц. Это может послужить основой при конструировании ШС, у которого спектры амплитуд импульсов на выходах ФЗУ1 и ФЗУ 2 отражает состав излучения в двух независимых спектрах импульсов по амплитудам.

IIIC обладает достаточно. большим «геометрическим фактором», определяемым размерами центрального чувствительного элемента. При раздельном применении любого из счетчиков «геометрический фактор» теряет свою определенность, и система измеряет только отношение различных компонент.

С другой стороны, данные, получаемые при раздельном применении любого из счетчиков и IIIC получаются автоматически.

IIIC срабатывает только в том случае, когда энергия частицы достаточна для прохождения некоторого количества вещества, определяемого размерами шара (ШС изготовлен из двух пластических сцинтилляторов

ШС-2) или при условии, что энергия частицы достаточна для возникновения эффекта Черенкова (ШС-1 изготовлен из черенковского детектора и сцинтиллятора).

С помощью ШС возможно исследовать состав излучения (по зарядам), регистрировать ядра одного и того же заряда в различных энергетических интервалах, регистрировать быстрые и медленные нейтроны и т-кванты, измерять общее энерговыделение в различных энергетических интер в ал ах.

Связывая зависимости — интенсивность излучения Черенкаы, пробег частиц в веществе детектора, интенсивность вспышки в кристалле сцинтиллятора, как функции энергии, а также привлекая данные о поглощении света в веществе детектора и о коэффициенте отражения различных покрытий, комбинируя размеры и материалы — возможно сконструировать IllC с заданными параметрами.

Учитывая высокую разрешающую способность ШС, которая, по-видимому, определяется качеством ФЗУ, временем высвечивания в сцинтилляторе и зависит от регистрирующей аппаратуры, а также порога эффекта Черенкова и толщины детектора, можно показать, что количество случайных совпадений от малоэнергичных частиц фона много меньше, чем в известных устройствах со счетчиками Гейгера.

Для регистрации быстрых нейтронов черенковский детектор ШС может быть изготовлен из хорошего замедляющего вещества типа плексигласа, воды, тяжелой воды и т. д,, а центральный чувствительный элемент из сцинтиллятора насыщенного Li, при этом регистрирующая аппаратура должна выбирать случаи появления импульса света в сцинтилляторе, при условии отсутствия такового в черенковском детекторс.

Расчет черенковского детектора для счетчика такого типа аналогичен расчету системы защиты и замедления сферического атомного реактора.

Для регистрации энергичных",-квантов схема регистрации аналогична, но сцинтиллятор окружается конвертором из тяжелого вещества.

Таким образом, IIIC может быть выполнен: в виде черенковского детектора с центральным чувствительным элементом; в виде двух сцинтилляторов, например, на основе полистирола; в виде двух полушарий из разного вещества с центральным чувствительным элементом; в виде двух шаровых слоев: черенковского детектора, измерительного сцинтиллятора и сцинтиллятора центрального чувствительного элемента. Такой вид счетчика позволяет получить два независимых спектра импульсов по амплитудам для последующего их сравнения, что в целом улучшает амплитудное разрешение прибора.

Могут быть осуществлены и другие варианты шаровых счетчиков. № 125842

Предмет изобретения

Шаровой счетчик для селективной регистрации глобальной интенсивности частиц высокой энергии, отл ич а ю щи и с я тем, что, с целью уменьшения разрешающего времени, увеличения светосилы, надежности и упрощения конструкции, в нем сочленены сцинтиллятор и черенкозский детектор, выполненный в виде шара из прозрачного материала, покрытого отражающим слоем (алюминий, серебро, окись магния и т. п.), имеющий полость в центре для размещения сцинтиллятора со светопроводом, соединенным с фотоумножителем, оптически отделенных от черенковского детектора, имеющего окно ко второму фотоумножителю, 3 выходы обоих фотоумножителей соединены со схемой совпадения, управляющей анализирующей аппаратурой, или со схемой сравнения двух распределений импульсов по амплитудам.

Фиг. 1

Фиг. 2

Комитет по делам изобретений и открытий при Сввете Министров СССР

Редактор Н. С. Кутафина Гр. Э7

Подп. к печ. 1.111-60 r.

Тираж 1050 Цена 50 коп.

Информационно-ивдательскии отдел.

Объем 0,34 и. л. Зак. 1748

Типография Комитета по делам иеобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Петровка, 14.