Способ детектирования ионизирующего излучения

 

Изобретение относится к методам детектирования ионизирующих излучений . Целью изобретения является повышение эффективности регистрации на единицу объема детектирующей среды. Цель достигается использованием детектирующей среды из сверхпроводящих гранул, причем среду охлаждают до температуры, лежащей в интервале, который задается соотношением Т,, к -Jl-l4, Т Т,. Ml-4,64VdV где Т - критическая температура сверхпроводника, Ар - глубина проникновения слабого магнитного поля в сверхпроводнике при абсолютном нуле температуры, d - диаметр гранул, Эе - параметр Гинзбурга-Ландау используемого сверхпроводника. На гранулы при этом накладьшается постоянное магнитное поле. Цри увеличении поля часть гранул переводится в сверхпроводящее метастабильное состояние. По мере перехода указанных гранул в нормальное состояние в процессе облучения при фиксированном внешнем постоянном магнитном поле добавочное поле на оставшихся в сверхпроводящем состоянии гранул уменьшается. Использовайие предложенного способа позволяет повысить эффективность регистрациипо сравнению с известным более чем на порядок. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. Q (О 00 00 со ел tsD

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11.) (51)4 С 61 Т 16

13;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3908592/24-25 (22) 11.06.85 (46) 15.04.87. Бюл. Н - 14 (72) С,Г.Говоргян, Н.M.Äoáðoâîëüñêèé, В.К.Кроль и P.Т.Мина (53) 621.387.424(088.8) (56) H ° Bernas et al Destruction of

superconducting metastable States by (-irrabiation, Phys, Letters, 24А, р. 721, 1967.

Патент Франции Ф 2333353, кл. G 01 Т 1/16, 1967. (54) СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИОНИЗИРУ10ЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к методам детектирования ионизирующих излучений. Целью изобретения является повышение эффективности регистрации на единицу объема детектирующей среды.

Цель достигается использованием детектирующей среды из сверхпроводящих гранул, причем среду охлаждают до температуры, лежащей в интервале, который задается соотношением Т, Ф ат(Тс а где Т вЂ” критическая температура с сверхпроводника, Ъ вЂ” глубина проникновения слабого магнитного поля в сверхпроводнике при абсолютном нуле температуры, d — диаметр гранул, Ж параметр Гинзбурга-Ландау используемого сверхпроводника. На гранулы при этом накладывается постоянное магнитное поле. При увеличении поля часть гранул переводится в сверхпроводящее метастабильное состояние. По мере перехода указанных гранул в нормальное состояние в процессе облучения при

Я

Фннснравенном внешнем постоянном мегнитном поле добавочное поле на оставшихся в сверхпроводящем состоянии

С: гранул уменьшается. Использование предложенного способа позволяет повысить эффективность регистрации по сравнению с известным более чем на порядок. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

3952 2

1 130

Изобретение относится к физике и технике исследования ионизирующих излучений, в частности к способам регистрации пространственных характеристик излучения с помощью перегретых сверхпроводящих гранул, Цель изобретения — повышение эффективности регистрации ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей среды.

Выбор температуры детектирующей .среды Т,. величины рабочего магнитно,го поля Н и суммарной объемной доли

С гранул в детектирующей среде в соответствии с приведенными соотношениями обеспечивает повышение эффективности регистрации ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей среды.

Каждая сверхпроводящая сферическая гранула в детектирующей среде, помещенной в постоянное магнитное поле Н, создает вокруг себя поле диполя, спадающее пропорционально кубу расстояния от ее центра ° В результате этого каждая гранула в среде находится помимо внешнего поля Н.в суммарном добавочном поле Н от соседних сверхпроводящих гранул, причем

f0

30 деляемого объемной долей гранул в среде. На таких гранулах добавочное магнитное поле будет меньше и они будут переходить из сверхпроводящего состояния в нормальное под действием ионизирующего излучения в первую оч ередь.

По мере перехода указанных гранул в нормальное состояние в процессе облучения при фиксированном внешнем постоянном ма.гнитном поле Н добавочное поле ЪН на оставшихся в сверхпроводящем состоянии гранул уменьшается, что в свою очерець приводит к дополнительному уменьшению количества гранул, способных перейти из перегретого сверхпроводящего состояния в нормальное при дальнейшем облучении и, следовательно, к уменьшению зф" фективности детектирующей среды (так называемЫй "диамагнитный эффект" ) .

Добавочное магнитное поле hH как это следует из соотношений (1) и (2).„ является монотонно убывающей функцией расстояния L .между гранулами и глубины проникновения, а следовательно, и температуры Т, поскольку

-ГГ- (т/ i:, )

С1 7

Н 2 (— — )

L %) Н вЂ” x . 2

l L

7 (d/2 — "h ) - 1) где L - расстояние между центрами со"

40 седних гранул, Ъ вЂ” глубина-проникновения слабого магнитного поля в сверхпроводник, d — диаметр гранулы.

При условии а /d < 1 эту добавку можно представить в следующем виде

Д 9

Н 2 Н

1 †6 с1 (L — †)

50 х (2) (L — — )

2

Вследствие хаотическбго распределения гранул в детектирующей среде, расстояния между некоторыми из них . будут меньше среднего значения, опреПри выборе температуры детектирующей среды намного ниже Т "диамагнитс ный эффект" перестает существенно зависеть от температуры и его отрицательное влияние на эффективность детектирующей среды можно исключить только путем разбавления среды, - е. увеличения L, что естественно ограничивает эффективность регистрации излучения детектирующей средой.

При выборе температуры детектирующей среды вблизи Т вследствие резкои температурной зависимости "h (Т) можно значительно уменьшить добавоччое магнитное поле и тем самым существенно повысить эффективность детектирующей среды, как детектора. В этом случае можно дополнительно поднять эффективность регистрации ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей среды путем увеличения объемной доли С гранул в детектирующей среде, т.е. уменьшения L вплоть до значения, соответствующего плотной упаковке гранул.

Вблизи Т имеется температурный интервал, в пределах которого сверхпроводящие характеристики гранул су3 13039 щественно зависят от отношения h/d.

Так, начиная с некоторой температуры

Тмии по мере приближения к Тс метастабильность сверхпроводящего состояния становится менее выраженной и полностью исчезает при температуре

Тм „, при которой фазовый переход первого рода в магнитном поле сменяется переходом второго рода. В области температур Тми„<Т < Т„„, находится максимум эффективности детектирующей среды. Действительно, начиная с,температур Т T»„энергетический барьер, препятствующий спонтанному переходу гранул в ста- 15 бильную нормальную фазу начинает сни) жаться, что на первых порах повышает вероятность перехода сверхпроводящих метастабильных гранул в нормальное состояние под действием излуче- 20 ния, давая тем самым дополнительный вклад в рост эффективности детектирующей среды вблизи Т . При дальнейшем же повышении температуры энергетический барьер снижается настолько, 25 что резко падает количество гранул остающихся в метастабильной фазе к началу облучения, что эквивалентно соответствующему снижению эффективности дет ектирующей ср еды при при бли- 30 жении к температуре Т откуда получаем — Т мин с

Величину Т находим из условия мс кс исчезновения фазового перехода Т-го рода

<1 (Тмакс) откуда получаем макс с

Наличие оптимального значения рабочего магнитного поля Н(Т) с точки зрения эффективности детектирующей среды обусловлено наличием естественного максимума в распределении гранул по термодинамическим свойствам и размерам, вследствие чего на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное по магнитному полю при Н=Н имеется точка перегиба. Величину Н(Т) определяют для каждой температуры экспериментально.

На фиг ° 1 изображена кривая зависимости объемной доли С оловянных гранул, находящихся в сверхпроводящем состоянии, от величины прилох<енного постоянного магнитного поля при фиксированной температуре детектирующей среды, лежащей ниже Т

Значения Тм„„ и Т ма„ можно оценить с помощью теории Гинзбурга-Ландау. Действительно, при температуРах

Т Т и„сферические гранулы в це тектирующей среде находятся в метастабильном сверхпроводящем состоянии, характеризуемом величиной критического магнитного поля перегрева 40

52 4

2 4 я — Н <Т „„) = = = — 15 Н,<Т„) ° где Нс(Т) — термодинамически равновесное значение критического магнитного поля для макроскопического образца при температуре Т..

В области температур Тм„„к-Т + Т критическое поле перегрева сферичес50 ких гранул зависит от температуры по закону.

Д

Н (Т) = — 15 Н (T)) зи 5 с

Величину Т и можно оценить из условия

На фиг. 2 изображены нормированные на единицу объема детектирующей среды температурные зависимости сдвига частоты измерительного генератора, в контуре которого находится детектирующая среда, и количества п .перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием рентгеновского излучения для ряда значений объемной доли гранул в детектирующей среде и при оптимальном значении приложенного маг Ъ нитного поля Н(Т) при каждой температуре. Кривые соответствуют следующим значениям С:1 — 33%; 2 — 12,5%, 3 — 3,7%. Пунктирная кривая 4 соответствует зйачению С -10% (такому, как в прототипе) .

Тс

5 макс с

О, 1015

Тмин Тс

=T 1-14 5, о 932 т

О 1015 г . О 114г гг,8* г о о у

Т 4 fгг Ог т

Щ макс с d> с 6,82

-О 998 Тсв накладывают постоянное магнитное поле

Н = 51 Э, соответствующее точке перегиба на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное при указанной температуре, пропускают через детектирующую среду рентгеновское излучение с энергией

E = 115 кэВ,- регистрируя при этом объемную долю С гранул необратимо перешедших Hs метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием излучения, по изменению частоты измерительного генератора ЬГ, в контуре которого находится детектирующая сила.

Результаты, экспериментаЛьных исследований эффективности детектиру5 13039

Величина доли гранул, переходящих в нормальное состояние под воздействием излучения при каждом фиксированном значении Н пропорциональна производной верхней кривой, при этом значений поля имеет максимум при поле Н=Й., отвечающем точке перегиба, при указанной температуре.

Фиг. 1 иллюстрирует существенные г точки перегиба Н на кривой перехода 10 гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное по магнитному полю без облучения. Значение рабочего поля

Н=Й определяется экспериментально.

Из данных, представленных на !5 фиг. 2, следует, что для любого значения объемной доли гранул С в детек.тирующей среде существует оптимальная температура детектирующей среды и эта температура находится вблизи 20

Т . В частности, для детектирующей с среды с С = 0,33 Т „= 0,975 Тс, а для детектирующей среды с С = 10%, Топ 9550 Тс

Пример 1. Охлаждают детекти- 25 рующую среду, состоящую из сверхпроводящих оловянных гранул диаметром

d = (6,8 +1) мкм, хаотически распределенных в парафине с объемной долей

С = 10% до Т = 1,7К, (параметры, при- 30 нятые в прототипе), лежащей ниже температуры Тс = 3,722К сверхпроводящего перехода гранул, накладывают постоянное магнитное поле Н = 280 Э, соответствующее точке перегиба Н на кривой перехода гранул в нормальное состояние при указанной температуре, пропускают через детектирующую среду, рентгеновское излучение с энергией

Е = 115 кэВ; регистрируя при этом объемную долю С гранул, необратимо перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием излучения, по изменению частоты измерительного генера- 45 тора, в контуре которого находится г... детектйрующая среда, Пример 2. Охлаждают детектирующую среду, состоящую из сверхпро- . водящих оловянных гранул диаметром 50 с! = (6,8+1) мкм, распределенных в парафине с объемной долей сверхпро-. водника С = 10%, принятой в прототипе, до температуры Т = 0,956 Т, лежащей ниже температуры сверхйрово- 55 дящего перехода гранул в интервале между

Т„„„

4 — 14 5 О,!015

0, 114 6,8" накладывают постоянное магнитное поле Н = 43,0 Э, соответствующее точке перегиба на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное при указанной температуре, пропускают через детектирующую среду рентгеновское излучение с энергией

E = 115 кэВ, регистрируя при этом объемную долю С гранул, необратимо перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием излучения, по изменению частоты измерительного генератора ЬГ, в контуре которого находится детектирующая среда.

Пример 3. Охлаждают детекти- рующую среду, состоящую из сверхпроводящих оловянных гранул диаметром

d = (6,8 «+1) мкм, распределенных в парафине с объемной долей сверхпроводника С = 33% до Т = 0,975 Тс, лежащей ниже температуры сверхпроводящего перехоца гранул в интервале между

7 13039 ющей среды по двум последним примерам конкретных реализаций способа приведены на фиг. 2.

Использование предлагаемого способа повышает эффективность регистра5 ции ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей среды по сравнению с известным более чем на порядок.

Достигнутое повышение эффективнос-10 ти детектирующей среды на единицу объема создает возможность реализовать способ в годоскопических системах регистрации ионизирующего излучения, так как это повышение приво- 15 дит к увеличению чувствительности годоскопических элементов, выполненных из сверхпроводящих гранул. В свою очередь, это позволяет уменьшить размер отдельного элемента, что яв- 20 ляется определяющим фактором для повышения разрешающей способности годоскопических систем. с Т

Т где Т вЂ” критическая температура с сверхпроводника;

"h — глубина проникновения слабого магнитного поля в сверхпроводник при абсолютном нуI ле температуры;

d — диаметр гранул, K — параметр Гинзбурга-Ландау используемого сверхпроводника.

2. Способ по и. 1, отличаюшийся тем, что увеличивают постоянное магнитное поле до значения, соответствующего точке перегиба на кривой зависимости объемной доли гранул, находящихся в сверхпроводящем состоянии, от величины приложенного магнитного поля при фиксированной температуре детектирующей среды. !

3. Способпоп. 1 отличаюшийся тем, что объемную долю С гранул в детектирующей среде выбирают близким к максимально возможному

Г значению Стах ц2 формула изобретения25

1. Способ детектирования ионизирующего излучения, заключающийся в охлаждении детектирующей среды из сверхпроводящих гранул, распределен- 30 ных в аморфном диэлектрике, ниже температуры сверхпроводящего перехода гранул, наложении постоянного магнитного поля и увеличений его до значения, при котором часть гранул в детектирующей среде. оказывается в сверхпроводящем метастабильном состоянии, пропускании через детектирующую среду исследуемого ионизирующего излучения и определении количества 40 сверхпроводника, необратимо перешед1

52 8 шего под его воздействием в нормальное состояние, о т л и ч а ю щ и й— с я- тем, что, с целью повышения эффективности регистрации ионизирующего излучения на единицу объема детек:тирующей среды, охлаждают детектирующую среду до температуры Т,лежащей в интервале, который задается соотношением

1303952 лр 10„,„л ) d F/Ê/ë / мм /

0.б

10 Т/ 7с

9ие г

Составитель С.Кондратенко

Техред Л. Сердюкова Корректор Н, Король

Редактор А.Ревин

Заказ 1305/46

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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