Спектрометр электронов и гамма-квантов

 

1. СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ, содержащий черенковский излучатель, пластину из вещества с большим атомным номером.систеьгу светосбора и фотоумножители, отличаю щ н и с я тем, что, с цепью снижения чувствительности спектрометра к фону медленных частиц, уменьшения поглощения света в излучателе и уменьшения его веса, в качестве черенковского излучателя использована газовая среда.2, Спектрометр по п.1, о т л ичающийся тем, что, с целью улучшения его энергетического разрешения, он содержит несколько газовых промежутков, разделенных пластинами, суммарная толщина которых выбрана из условия полного развития электронно-фотонного ливня.С ?г~7-ев».V^54^О5о» 4^00>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3m С 01 Т 1/36

5 к1

К АЙТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 1842581/26-25 (22) 01.11.72 (46) 23.03.84. Бюл, У 11 (72) А.С. Вовенко, М.Ф. Лихачев, И.А. Савин, Л.В. Сильвестров, И.Ф. Шабашов, В.П. Лупильцев, Д. Коллар, П.П. Павлович, Я. Ружичка, В.И. Сидорова, А.А. Тяпкин и В.П. Зрелов (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 539.1.074 (088.8) (54)(57) 1. СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОНОВ

И ГАММА-КВАНТОВ, содержащий черенковский излучатель, пластину из вещества с большим атомным номером, систему светосбора и фотоумножители, отличающийся тем, что, с целью снижения чувствительности спектрометра к фону медленных частиц, уменьшения поглощения срета в излучателе и уменьшения его веса, в качестве черенковского излучателя использована газовая среда.

2. Спектрометр по п.1, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения его энергетического разрешения, он содержит несколько газовых промежутков, разделенных пластинами, суммарная толщина которых выбрана из условия полного развития электронно-фотонного ливня.

416648 2

Изобретение относится к технике детектирования и измерения энергий электронов и гамма-квантов высоких энергий.

В изобретении усовершенствуется один из видов спектрометров электронов и гамма-квантов, а именно ливневый черенковский спектрометр.

Известны спектрометры, в которых в качестве среды для развития электронно-фотонного ливня применяются слои вещества с большим атомным номеров .(свинец), а в качестве среды для регистрации вторичных частиц ливня — твердый или жидкий излучатель черенковского света.

Однако эти спектрометры чувствительны к фону медленных частиц, поскольку имеют сравнительно низкое значение пороговой скорости черенковского излучения. Например, для случая излучения из оргстекла пороговая скорость равна f5 дд

0,67, что соответствует энергии электрона 0,2 МэВ, 7i -меэона

48 МэВ, протона 300 МэВ.

Для случая водяного излучателя соответствующие энергии составляют: для электронов 0,3 МэВ, Б-мезонов 80 МэВ и протонов

" 500 МэВ.

Кроме фоновых частиц, скорость которых лежит выше порогового значения, такие спектрометры регистрируют также некоторый процент частиц со скоростью ниже пороговой за счет ядерных взаимодействий, происходящих как в пластинах свинца, так и в веществе излучателя.

Чувствительность к фону медленных частиц затрудняет или даже полностью исключает применение этих спектрометров в полях интенсивных излучений, существующих, например, вблизи ускорителей, или в пучках частиц с преобладающим содержанием частиц других типов (мезонов, нуклонов).

Другим их недостатком является сравнительно большое поглощение света в излучателе, что приводит к ухудшению энергетического разрешения. При больших размерах спектрометров этот эффект будет вносить основной вклад во флуктуации, сопровождающие процесс преобразования энергии первичной частицы в выходной импульс фотоумножителя. Напри.мер, при поперечных размерах излу5

40 чателя порядка метра ослабление видимого света в излучателе, определяемое как отношение интенсивности прошедшего данную среду света к его первоначальной интенсивности, составит для воды - 787., а для оргстекла " 633. Таким образом, количество света от частиц,прошедших в разных точках излучателя, будет разниться в пределах 20307..

Наконец, к недостаткам этих спектрометров следует отнести их значительный вес, что имеет существенное значение, например, при установке таких приборов на космических объектах.

Цель изобретения — уменьшение регистрируемого фона медленных частиц, уменьшение поглощения света в спектрометрах больших размеров и уменьшение их веса.

Это достигается за счет того, что в качестве среды для регистрации вторичных частиц ливня используют газ и регистрируют черенковское излучение частиц в этой среде.

Пороговая скорость черенковского излучения для газовой среды значительно вышее, чем для жидкой или твердой. Например, для воздуха при атмосферном давлении р о =0,9997, что соответствует энергиям,м., я, К-меэонов и протонов соответственно 4,25 Гэв; 5,6 Гэв; 20 Гэв

38 Гэв и энергии электронов или позитронов 21 Мэв. В этом случае спектрометр не будет регистрировать мезоны и протоны с энергией ниже

4 Гэв, в то время как большая часть вторичных частиц электронно-фотонного ливня будет зарегистрирована.

Число фоновых отсчетов, обязанных ядерным взаимодействиям, в свинцовых пластинах будет также значительно ниже за счет того, что подавляющая часть вторичных продуктов взаимодействий имеет скорость ниже порогового значения для газовой среды.

Конструкция спектрометра приведена на чертеже.

Он имеет свинцовую пластину 1, газовый излучатель 2, зеркальное отражающее покрытие 3, плоское 4 и параболическое 5 зеркала системы светосбора, фотоумножитель 6, кожух 7 и дискриминатор 8. (мйф.), Х дЯ

1/1

®1 1фэл

Тираж 711

Заказ 2355/2

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 з 4

Принимая в качестве светоизлучающей среды воздух, оценим необходимую длину газовых промежутков и энергетическое разрешение спектрометра.

В случае когда энергия первичного электрона или гаммакванта превышает . несколько Гэв, а число слоев свинца достаточно для полного развития ливня, число вторичных частиц с ,энергией выше 20 Мэв, составит

M 71 100.

Каждый электрон (позитрон) ливня при пробеге длиной 4 испустит излучение Вавилова-Черенкова, которое при попадании на фотокатод фотоумножителя создает число фотоэлектронов: 9о In- 1Г 1., („) где К вЂ” коэффициент, учитывающий спектральную чувствительность фотокатода и спектр излучения Вавилова-Черенкова (для фотокатода Sb-Cs u входного окна из обычного стекла k =1,92, а для кварцевого К =4,4);

5Π— интегральная чувствительность фотокатода, мка/лм;

n — показатель преломления газа в собирающей трубе;

Š— коэффициент, учитывающий потери излучения до попадания в чувствительный слой фотокатода; . — длина газового радиатора, см.

При числе электронов и позитронов ливня / статистические флуктуации в числе фотоэлектронов с фотокатода ФЭУ будут равны (В н,Ä) " 2

Для того, чтобы эти флуктуации не сильно ухудшали собственное ампли16648

4 тудное разрешение фотоумножителя, примем, что

Из этого условия и формулы (1) можно определить длину газовых промежутков

1 — 2 И50К(Ь- 1)Я . (2) Если принять, что амплитудное

15 разрешение современных фотоумножителей ограничено величиной — =0,06, то при РАЙ =100, К =4,4, So =50 мка/лм, 11-1=2,9 10 1, E =1 получим, что

20 L = 86 см (для фотокатода из обычного стекла K =1,92 и при тех же остальных условиях L = 200 см).

При выполнении условия (2) энергетическое разрешение спектрометра

25 будет определяться только флуктуациями числа частиц в ливне.

Разновидностью предложенного спектрометра может являться конструкция с одним газовым промежутком и одной пластиной-конвертором, толщина которой соответствует максимуму каскадной кривой °

Предложенный спектрометр может применяться также и как низкофоновый детектор электронов и гамма-квантов высоких и сверхвысоких энергий, для чего в цепь ФЭУ включается дискриминатор, порог которого установлен так, чтобы пропускать импульсы, 40 соответствующие световыделению от электронно-фотонного ливня. В этом случае целесообразно использовать конструкцию с одной пластинойконвертором толщиной 2-4 радиационных единиц.