Способ выбора параметров детекторов,используемых при идентификации продуктов ядерных реакций по величине удельной ионизации и полной энергии

 

СПОСОБ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ДЕТЕКТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОДУКТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ ПО ВЕЛИЧИНЕ УДЕЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ПОЛНОЙ ЭНЕР.ГИИ, /.отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей способа, детектор для измерения удельной ионизации выбирают такой толщины, чтобы потеря энергии анализируемого изотопа при прохожде—.НИИ через детектор была равна следу-Iющей величинеE-E[l-tc^n^ -/-5-

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ив> SU an

2 О (51.)4 Н 01 J 47/02

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике..

Дпя решения широкого класса задач путем идентификации продуктов ядерных реакций по величине их.удельной иониэации и полной энергии с помощью детектора для измерения ионизационных потерь (ДЕ) анализируемых продуктов при прохождении их через этот детек-: тор (ионизационную камеру или тонкий полупроводниковый детектор) требуетГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 1871777/26-25 (22) 16.01.73 (46) 15.02.89. Бюл. У 6 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) Г.Н.Зорин (53) 539.1.074.2 (088.8) (54)(57) СПОСОБ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ

ДЕТЕКТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОДУКТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ ПО

ВЕЛИЧИНЕ УДЕЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ПОЛНОЙ

ЭНЕРГИИ, . отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей способа, детектор для измерения удельной ионизации выбирают такой толщины, чтобы потеря энергии анализируемого изотопа при прохождении через детектор была равна следу ющей величине

Е tn

459

- 1 М R2) 1п(- — IN)) f где Š— энергия изотопа перед входом в этот детектор, соответствующая максимальной энергии анализируемого спектра; M — - массовое число; I —средний потенциал ионизации атомов вещества детектора; 1 — задаваемое относительное расстояние между центрами тяжести распределений ионизационных потерь сосецних изотопов для одной и той же начальной энергии их, которое в случае равенства двум соответствует практически полному разделению этих распределений, а при равенстве единице — практически полному слиянию их; a(— - относительное ухуд шение разрешения по энергии такого детектора из-за конечной величины расходимости пучка анализируемых продуктов ядерных реакций, качества детектора и т.д.; К вЂ” относительное разрешение по энергии детектора, используемого для измерения оставшейся энергии изотопа, который выбирают с" таким относительным разрешением по энергии, чтобы оно было меньше величины 1/1М12.

2 ся обеспечить достаточно хорошее разрешение как по массе, так и по энергии, особенно для изучения пря". мых ядерных реакций на тяжелых ионах, в результате которых образуются изотопы с массой, изменяющейся в широ-. ком диапазоне.

Согласно известному способу разделения продуктов ядерных реакций, импульсы с детекторов телескопа, используемых для измерения иониэацион432830

ДЕ/ах = ВМК /Е

О) 15 (2) 4E,Е Юг

ЛЕ (0,$E (3) 1n(- — -- rM)j

Е ° Ю

459 ((! 1г

83,5, (55 (4) ных потерь и оставшейся энергии (Е - 4 Е), подаются для регистрации их в многомерный анализатор. При реализации этого способа с целью исключения вклада в разрешение Е-детек5 тора, возникающего из-за разброса энергий в результате прохождения анализируемого изотопа через 4Е-детектор, и восстановления его энергии используют электронную схему суммирования. Так как с точностью до логарифма удельная ионизация изотопа (где  — сопай; М вЂ” массовое число изотопа; Š— его зарядовое число;

Е « энергия изотопа перед входом в

4Е-детектор), то в результате на

20 плоскости анализатора, на которой по оси абсцисс откладывается 4Е а по оси ординат Е, получают "гиперболы, соответствующие различным изоН топам

Подбор разрешений по массе и энергии ведется полуэмпирическим спосо30 бом в каждом случае с большой затратой дорогостоящего циклотронного времени. Такой подбор основных параметров детекторов практически исключает полную реализацию всех возможностей способа.

Цель изобретения — расширение возможностей способа выбора параметров детекторов, используемых для разделения продуктов ядерных реакций по методике (BE Е} при минимальной потере ф0 информации об их энергетических спектрах и для получения детальной информации об отдельных участках этих спектров при изучении механизма прямых ядерных реакций и при анализе структуры ядер с помощью таких реакцииа

Цель реализуется выбором такой толщины детектора для измерения удЪльной ионизации, чтобы потеря энергии анализируемого изотопа при прохождении через детектор была равна следующей величине где Š— энергия изотопа перед входом в этот детектор, соответствующая максимальной энергии анализируемого спектра; М вЂ” массовое его число; I —средний потенциал ионизации атомов вещества такого детектора; 1 — задаваемое относительное расстояние между центрами тяжести распределений ионизационных потерь соседних изотопов для одной и той же начальной энергии их„ которое в случае равен- ства двум соответствует практическиполному разделению этих распределений, а при равенстве единице — практически полному слиянию их; О(— относительное ухудшение разрешения по энергии такого детектора из-sa конечной величины расходимости пучка анализируемых продуктов ядерных реакций, качества детектора и т.д.; RE— относительное разрешение по энергии детектора, используемого для измерения оставшейся .энергии изотопа, который выбирают с таким относительным разрешением по энергии, чтобы оно было меньше величины (1/1M/2).

От разрешения по энергии dE-детектора зависит идентификация продуктов реакций по методу (ДЕ,Е) . Она определяется в основном статистическими флюктуациями ионизационных потерь заряженных частиц при прохожде- . нии их через детектор. На основании формулы Бете-Блоха для средней потери энергии на единицу пути для частиц тяжелее электрона в нерелятивистском случае; формулы для средне-квадратичной флюктуации потерь энергии для таких частиц при условии а также с учетом соотношения между шириной на половине высоты распределения ионизационных потерь и среднеквадратичной флюктуацией в случае, когда такое распределение близко к кауссовскому, можно получить .следующую зависимость относительного разрешения по энергии для BE-детектора

R =-(— — — И4Е (1 - (аЕ/2E)j °

Е

dE 1 67

Так как Е/М по "гиперболе" для одного и того же изотопа с (M, Z) на

432830 (6) 55 (10) 1 (1 (2, «1n(- — — ?М))

Е 1 ((е

459 (7) в виде уравнения плоскости (dE,Е) изменяется быстрее, Е чем 1n(— — — ° IM) а Л Е увеличивает459 ся при уменьшении Е/М, то, как следует из (4) „ разрешение по "гиперболе" улучшается в сторону уменьшения

Е/М до тех пор, пока вклад в разрешение от эффекта перезарядки еще мал.

Следовательно, дост. точно обеспечить 1о разрешение по массе по методике (ЛЕ,Е) при максимальном значении

Е/М. Тогда выбор разрешения будет определяться только dE, т.е. давлением газа в случае ионизационной ка- 15 меры или толщиной полупроводникового

dE-детектора.

Расхождение эксперимента с расчетами по формуле (4) согласуется с различием пробегов частиц в чувстви- 20 тельном объеме камеры из-за конечного телесного угла и натяжений майлара в окнах камеры. Следует учесть, что при получении формулы (4) с целью сохранения удобного аналитического, 25 вида ее не полностью учтено изменение скорости частицы вдоль ее пути.

Поэтому отличие значений, рассчитанных по формуле (4), от численных расчетов Чэлера точного кинематического уравнения для флюктуаций ионизационных потерь, выполненных с помощью вычислительной машины, составляет

0 96 ((К4Е(4) /R BE (Чэлер) ) 0,99

Ф (5) 35

В интересующем нас интервале

0 (((1Е/Е) < 0 5

И, следовательно, формулу (4) прак-40 тически можно использовать для выбора необходимого разрешения для dE-детектора по методике (BE,Е) в указанном диапазоне изменения dE/E.

Так как всегда экспериментальное разрешение LlE-детектора хуже теоретического из-за конечной величины расходимости пучка анализируемых продуктов ядерных реакций, формируемого с помощью коллиматоров,.и неидеального качества детектора, то в Формулу (4) следует ввести коэффициент (е учитывающий .это обстоятельство

R - -P Е Л ЕЕ (1 -(ЛЕ/2Е}) .(= R (8)

4Е

RäE (расходимость пучка, качество детектора) рассчитаывается в каждом конкретном случае с достаточной точностью, так как геометрия эксперимента заранее известна, а отклонение качества 4Е-детектора от идеального заранее измеримо.

Определим отношение 4Е/Е, при котором наступит разделение распределений ионизационных потерь двух соседних изотопов с (М, Z) и (М+Х,Z) и с одинаковой начальной энергией Е при условии, что разрешение по энергии Е-детектора и "толщина" по энергии Е-плоскости анализатора равны нулю, а также используется схема суммирования.

Для простоты заменим распределение ионизационных потерь изотопа равнобедренным треугольником таким образом, чтобы совпадали их высоты и ширины на половине высоты, что практически BblIIoJIHHMo с достаточной точностью. Возьмем худший случай, когда интенсивности распределений двух соседних изотопов одинаковы.

Тогда, если

1 = (BE(M+1) — d E(M) j/ ((M), (9) где BE(M) и dE(M+1) — энергии центров тяжести распределений ионизационных потерь соседних изотопов; (}(}Е(М) ширина на половине высоты распределения изотопа (M, Z), равно единице, то распределения соседних изотопов сольются ° В случае же равенства 1 двум эти распределения полностью разделятся. Дальнейшее увеличение 1 не приведет к практическому улучшению разрешения по массе, а только увеличит аппаратурный порог по энергии из-за увеличения толщины dE-детектора, что приведет к "образованию" энергетических спектров этих и более легких изотопов.

На основании изложенного легко определить необходимое разрешение по энергии 2}Е-детектора для разделения распределений двух соседних изотопов, которое следует из необходимого условия (9), где

И тогда на основании уравнений (15), (16), следует, что для получения изотопного разрешения Е-детектор необходимо выбрать такой, чтобы всегда

Е I 1(7.

«1n(— — .ХМ)) )

459 (1 2) Например в случае Е/М = 6,8 МэВ/, /нуклон, с(= 1 и 1 = 2 отношение 15

3Е/E для ионов от С до Аг для кремниевого детектора лежит в области,-0,07-0,25.

Следует отметить, что верхняя граница по М в формуле (12) ограничена 20 значением dE/Å, при котором вклад в разрешение BE-детектора от эффекта перезарядки значителен.

Теперь учтем вклад Е-детектора в изотопное разрешение методики, так как из-за существования конечной величины его разрешения по энергии будут неразрешены распределения для одного и того же изотопа с энергией от Е до Е + d E, где dE - ширина рас- З0 пределения по энергии на половине высоты. И чтобы сохранить изотопное разрешение (12), нужно увеличить отношение BE/Å, т.е, найти такое

1М7Г (18) а нижняя граница очевидна.

В каждом конкретном случае Е-детектор выбирается, исходя из условий экспериментальной задачи и практичес-, ких возможностей.

Например для интервала изменения

BE.»,/Е до 0,2 в результате разложения в ряд Тейлора (17) получают

BE /E,(2 12 (1 — 12N2R2)»

n = 167

«1п(—,— IN) Е

459

1 (19) А из формулы (19), используя

4Е„/Е = ((ЛЕе/Е) + Е) 1

35 (13) n 21 находим, что при котором изотопное разрешение станет равным определяемому по формуле (11). Так как вклад Е-детектора в изотопное разрешение составляет

R2 R2 (ее4ее) /(1 — Я к/Вее) (20)

40 ь е — е .

Далее, а точки зрения удобства, выбираем (ЛЕ(МэЕ) d E(M)ýЕ+дЕ)2/BE(N»E)= (.1 4)

45 где RE - относительное разрешение по энергии Е-детектора, то всегда должно где выполняться следующее неравенство

Е = (BE g/E) (21) (22) t+1 f, R E (1 /к М) (1 5) 50 так как в случае равенства нарушится обязательное условие (15) .

Можно определить разрешение по энергии Е-детектора, при котором его вклад в изотопное разрешение будет

55 минимальным, если

В противном случае распределения ионизационных потерь соседних изотопов сольются. Тогда для разделения этих распределений, чтобы сохранить условие (11), необходимо выполнить следующее условие (20) - . Е „E Е/дЕ е, ДЕе когда (23) (1/12N2) = R2 BE „(МЕ) + R2 . (16) 7 432830 8

R (М) =сР Е (М) /ЛЕ (М) 1 /1М (1 1)

Из этого условия получаем и, И атее окончательно уравнение (12) перепиИ тогда для разделения распределений шетсЯ следУющ™ о Разом м об азом

PB COCeQHHX HSOTOIIOB HR OCHOBaHHH 5 2 М (4) и (11) толщина ЛЕ-детектора дол- E /E (1 — 5 жна быть такой, чтобы

М вЂ” 12М2 R2 ) 1II (—.— — ° IN))J

Е I(2 (17)

ДЕ /E = 1 Г 1 ((12 - .к

83,5 459

432830 (24) t = 1g (Д Ер(2,E)/ЕЗ 21g fd Е (N,Е)/E) (26)

Таким образом с помощью вышеопи5 санного способа можно получить иэотопное разрешение при минимальной потере информации по энергии, а также получить детальную информацию об отдельных участках энергетических спектров анализируемых продуктов ядерных

5 реакций. (Е.Е/ЛЕg) ((1

Так как для dE/М = 7-10 МэВ/нуклон nE/Е для легчайшего изотопа (М=2) равно 0,01, то условие (24) выполнимо при и 0,5. Взяв последнее за основу, получим, что

Rg = (1 /1М) fd Е р(М,Е)/Е), (25), где

СоставительЭ.Яшкова

Редактор Н.Сильнягина. Техред М.Ходанич Корректор И.Муска

Заказ 755 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðoä, ул. Гагарина,101