Способ и устройство для регистрации заряженных частиц

Предложенная группа изобретений относится к области разведки урановых, ториевых и других месторождений полезных ископаемых, в сейсмологии, в экологии, в радиационной дозиметрии, в радиобиологических и космических исследованиях, при газовом каротаже скважин и т.д. Предложенный способ регистрации заряженных частиц заключается в использовании твердотельных трековых детекторов, при этом твердотельные трековые детекторы выполняют из набора оптических волокон без защитных оболочек в месте регистрации заряженных частиц, а регистрацию треков заряженных частиц производят методом двухэкспозиционной голографической фотоупругости через торцы оптических волокон, просвечивая их поляризованным светом. Наличие треков заряженных частиц может быть зарегистрировано по изменению прозрачности каждого отдельного оптического волокна, а оценку изменения прозрачности проводят при помощи установленного на противоположных торцах данного оптического волокна анализатора поляризации и прибора, регистрирующего интенсивность прошедшего через волокно света. Предложенный способ не требует химического травления, а кроме того снижается трудоемкость испытаний, появляется возможность многократного использования оптических волокон, не меняя их местоположение. Указанный способ реализует соответствующее устройство для регистрации заряженных частиц. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Известно, что твердотельные трековые детекторы находят широкое применение в радиобиологических экспериментах на ускорителях, в космических исследованиях, в радиационной дозиметрии, в экологии и даже в археологии. Кроме того, они используются при поиске урановых и ториевых месторождений, и месторождений бериллия, висмута, золота, платины, свинца, а также в сейсмологии, где с помощью трековых детекторов определяют динамику выделения радона из массива горных пород, как предвестника землетрясения.

Однако более широкое и оперативное использование трековых детекторов ограничивает то обстоятельство, что прямое наблюдение треков, образованных в твердом теле, возможно только с помощью электронного микроскопа, поэтому для регистрации треков используется химическое травление. При химическом травлении вещество в треке удаляется значительно быстрее, так что образуется кратер, величина которого в зависимости от продолжительности травления и энергии частицы, может быть порядка несколько микрон. Это позволяет регистрировать такие обработанные треки уже оптическим микроскопом. Однако необходимость травления делает метод трековых детекторов очень трудоемкой процедурой, что очень ограничивает их возможности. К настоящему времени имеются технические решения, направленные на устранение этого существенного недостатка. Например, в (Маренный А.М. Диэлектрические трековые детекторы в радиационно-физическом и радиобиологическом эксперименте. М., Энергоатомиздат, 1987) предлагается использовать искровой пробой через кратеры, выявленные химическим травлением треков в пластине детектора. Каждый отдельный пробой автоматически регистрируется электронной аппаратурой при сканировании пластины детектора. Кроме этого способа с целью интегрального подсчета треков используются электрохимические и диффузионные методы. Однако эти решения только облегчают подсчет треков, но не устраняет продолжительного химического травления, требующего удаления детекторов с места, где регистрировали поток заряженных частиц. Поэтому для расширения области применения и снижения трудоемкости при использовании твердотельных трековых детекторов предлагается техническое решение, где в качестве детектора используется не пластина диэлектрического материала, а набор оптических волокон, регистрирующие участки которых лишены обычных защитных оболочек. Для такой регистрации могут быть использованы как кварцевые оптические волокна, так и полимерные. Выбор материала определяется энергией заряженных частиц, которые будет регистрировать детектор. Эффективная площадь такого детектора будет:

где n - число волокон,

r - радиус волокна,

l - длина участка волокна, без оболочки.

Такой детектор может работать как в активном режиме, т.е. допускать прокачку среды, в которой излучаются частицы, так и в пассивном, когда детектор работает в замкнутом объеме.

Известно, что волоконные оптические световоды изготовляются из однородных материалов с малыми потерями, поэтому все структурные изменения в треке, вызванные пролетом заряженной частицы через оптическое волокно, включая и механические напряжения, связанные с образованием ионов в треке, могут быть выявлены методом голографической фотоупругости через торцы волоконных световодов. В образовании трека участвует несколько механизмов передачи в твердое тело, и главным из них является ионизация, т.е. появление электрических зарядов по всему треку. Появление зарядов на пути следования частицы создает вокруг всего трека область механических напряжений, обусловленных кулоновским взаимодействием электрических зарядов (С.Дюррани, Р.Балл. Твердотельные ядерные детекторы. М., Энергоатомиздат, 1990). Чтобы зарегистрировать такое напряжение в материале детектора, расталкивание зарядов должно превосходить или быть близким к механической прочности материала. Сила кулоновского расталкивания будет равна

где n - число зарядов, образовавшихся в треке;

е - заряд электрона;

ε₀ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства;

ε - диэлектрическая проницаемость вещества детектора;

D_t - диаметр трека.

Сила, приведенная на единицу площади, будет:

Под воздействием этой силы материал волокна испытывает деформацию в том числе и в направлении распространения света в оптическом волокне, так что длина пути света t - возрастает на Δt. Согласно закона Гука:

где Y - модуль Юнга.

Такое изменение длины пути света в оптическом волокне можно выявить методом голографической фотоупругости или с помощью двухэкспозиционной голограммы, первая экспозиция при этом делается до облучения оптического волокна.

Разность оптических длин путей в области трека будет:

где n - показатель преломления материала оптического волокна, имеющего в своем объеме трек, создающий механическое напряжение;

n₀ - показатель преломления материала оптического волокна;

1 - показатель преломления воздуха;

δ - длина пути луча в воздухе.

Показатель преломления n связан с состоянием напряжения законом Максвелла-Неймана, описывающим явление фотоупругости в двумерном случае

где n₁ и n₂ - показатели преломления для света, поляризованного соответственно в направлении σ₁ и σ₂ - главных напряжений, которые взаимно ортогональны и лежат в плоскости XY; А и В - упругооптические коэффициенты материала. Для неблагоприятного случая, когда материал обладает низкой оптической чувствительностью к механическому напряжению, коэффициенты

А≈В и n₁≈n₂, тогда соотношение (6) для оптически однородных материалов будет:

С учетом (4), (7) и (5) изменение оптической длины пути будет:

Сумма σ₁+σ₂ связана Δt/t - упругой деформацией и полем механического напряжения соотношением:

где ν - коэффициент Пуассона - величина, характеризующая свойства материала, равная отношению поперечной деформации к продольной. С учетом соотношения.

(9) уравнение (8) можно записать:

Член мал по сравнению другими членами в этом уравнении, и им можно пренебречь, тогда выражение (10) будет:

Величину можно рассматривать как эффективный показатель преломления материала волоконного световода. Изменение оптической длины пути связано с числом полос N соотношением где λ - длина волны света, проходящего через световод.

Следовательно, можно записать

Как видно из выражений (12) и (13), наличие трека в материале световода вызывает локальное механическое напряжение и создает разность хода для лучей света в оптическом волокне, что меняет число интерференционных полос или же регистрируется как отдельный дефект.

Однако выявление треков - трудоемкая операция. Поэтому если использовать волоконные световоды из материалов, которые под действием механических напряжений обладают двулучепреломляющм эффектом, то становится возможным выявлять треки, просвечивая оптические волокна поляризованным светом, а регистрацию прошедшего света осуществлять через анализатор поляризации.

Исходя из выше изложенного, предлагаемые способы и устройства на его основе могут быть осуществлены следующими вариантами: набор волоконных световодов без защитных оболочек в области регистрации подвергается процедуре двухэкспозиционной голографической фотоупругости через торцы световодов, при этом первая экспозиция делается до облучения световодов, или же после облучения набор световодов просвечивается поляризованным светом, а с противоположных торцов световодов помещается анализатор поляризации и прибор, регистрирующий интенсивность прошедшего света через каждый световод, или же устройство, обнаруживающее с помощью микроскопа дефект в световоде, причиной которому является трек заряженной частицы. Другим вариантом может быть устройство, измеряющее распределение интенсивности света на торце каждого облученного оптического световода и сравнивающее с распределением интенсивности света на торце образцового волоконного световода, защищенного от действия облучения.

Все выше перечисленные устройства могут работать вновь, если произвести отжиг регистрирующих световодов лазерным излучением, мощность которого определяется экспериментально в зависимости от материала и энергии регистрируемых частиц. При этом во многих практических случаях как измерения, так и отжиг могут производиться без изменения положения световодов в месте регистрации.

1. Способ регистрации заряженных частиц, заключающийся в использовании твердотельных трековых детекторов, отличающийся тем, что твердотельные трековые детекторы выполняют из набора оптических волокон без защитных оболочек в месте регистрации заряженных частиц, а регистрацию треков заряженных частиц производят методом двухэкспозиционной голографической фотоупругости через торцы оптических волокон, просвечивая их поляризованным светом.

2. Способ регистрации заряженных частиц по п.1, отличающийся тем, что наличие треков заряженных частиц регистрируют по изменению прозрачности каждого отдельного оптического волокна, при этом данное волокно просвечивают поляризованным светом, а оценку изменения прозрачности проводят при помощи установленного на противоположных торцах данного оптического волокна анализатора поляризации и прибора, регистрирующего интенсивность прошедшего через волокно света.

3. Способ регистрации заряженных частиц по п.2, отличающийся тем, что детекторы из оптических волокон используют многократно без изменения их месторасположения, при этом перед новым актом регистрации каждое волокно подвергают отжигу, пропуская через торцы оптических волокон лазерное излучение с заданной плотностью мощности.

4. Устройство для регистрации заряженных частиц, содержащее твердотельный трековый детектор, отличающееся тем, что твердотельный трековый детектор выполнен из набора оптических волокон без защитных оболочек в месте регистрации заряженных частиц, уложенных в два слоя так, что оси волокон одного слоя ортогональны осям волокон другого слоя, с возможностью просвечивания каждого отдельного волокна от источника поляризованного света и регистрации параметров прошедшего через данное волокно света.