Способ сбора света в черенковских или сцинтилляционных счетчиках

 

ОПИСАНИЕ (п)436312

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 14.04.72 (21) 1773731/26-25 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 15.07.74. Бюллетень № 28

Дата опубликования описания 08.12.74 (51) М. Кл. О 02Ь 5/24

Гаоударственный комитет

Совета Министров СССР оо делом иэеоретеннй и открытнй (53) УДК 535.2.245 (088.8) (72) Автор изобретения

Э В Козубский

Объединенный институт ядерных исследований (71) Заявитель (54) СПОСОБ СБОРА СВЕТА В ЧЕРЕНКОВСКИХ

ИЛИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ СЧЕТЧИКАХ

Для регистраций ионизирующего излучения используются, например, сцинтилляционные или черенковские счетчики.

При регистрации слабого оптического излучения в сцинтилляционных или черенковских счетчиках большое значение приобретает задача снижения потерь света на пути от радиатора к фотоприемнику (фотоумножителю).

Кроме снижения потерь света, также имеет значение уменьшение числа фотоумножителей, иначе сокращение площади входных окон фотоумножителей, естественно без потери света. Задача транспортировки света от радиатора счетчика к его фотоумножителям решается посредством применения световодов различных типов.

Один из видов световодов — зеркальный ящик (полый сосуд) с отражающими свет внутренними боковыми стенками. Одним торцом такой световод примыкает к поверхности радиатора (если радиатор — твердое вещество) или к стеклу-иллюминатору (если радиатор — жидкость), а на другом торце этого световода располагается фотоприемник (фотоумножитель) . Если радиатором является жидкость или газ, то полость световода может быть заполнена соответствующими жидкостью или газом. Геометрические формы таких световодов различны: это и призмы (параллелепипед, пирамида и т. д.) и фигуры вращения (цилиндр, конус и т. д.) с внутренней отражающей поверхностью. Выбор формы световода определяется, в частности, видом излучения (изотропное или направленное). Для изотропного излучения, например, предпочтительнее световод с расширяющимся в сторону фотоумножителя сечением.

Известно явление искривления хода светового луча в среде с переменным значением

10 показателя преломления. Луч, входящий в слой с большим значением показателя преломления, отклоняется в сторону нормали к границе слоя. Следовательно, если полость световода заполнить средой с переменным

1Б значением показателя преломления, то можно изменить ход световых лучей таким образом, чтобы достигалось сокращение числа отражений. Например, отражение под более тупыми углами падения и попадание на входное

20 окно фотоумножителя под более острым углом.

Показатель преломления среды, как правило, возрастает с увеличением ее плотности, что, в свою очередь, может быть достигнуто

2S изменением температуры среды по ходу светового луча, т. е. созданием в световоде участка с требуемым градиентом показателя преломления за счет охлаждения соответствующего участка световода. Чтобы избежать воз30 никновения в световоде нестабильностей

436312

n — 1

n-"+ 2

25 где Я

grad n

3S

3 (конвекции), целесообразно световод ориентировать по направлению силы тяжести и охлаждать нижний участок световода.

На фиг. 1 представлена схе.аа распространения светового луча в среде с градиентом показателя преломления.

Здесь:

И вЂ” источник света, ИА — луч света, претерпевающий рефракцию, ВОФ вЂ” входное окно фотоумножителя, А — точка входа луча ИА в фотоумножитель,  — точка входа в фотоумножитель луча в отсутствии рефракции.

Радиус кривизны луча R в среде с градиентом показателя преломления определяется известным выражением

1 grad n .8111 J

R n где и — показатель преломления, i — угол входа луча в среду.

Если угол iстремится к 0,,то R — со. Если

i к90,тоR — Rièí, Из фиг. 1 видно, что в случае распространения света в среде с градиентом показателя преломления можно собрать свет, вышедший в заданном телесном угле на площадке ВОФ меньшего размера, чем в случае распространения света в однородной среде, или, если задан размер ВОФ, то можно собрать свет, испущенный в большем телесном угле.

На фиг. 2 представлена схема распространения луча света в среде с градиентом показателя преломления, заключенной в ящик с плоскопараллельными зеркальными стенками.

Из фиг. 2 видно, что луч света вследствие рефракции входит в ВОФ под более острым углом падения, чем луч в отсутствии рефракции.

Следовательно, согласно формул Френеля, потери света на входной поверхности фотоумножителя (ВОФ) будут меньше, чем в случае отсутствия в световоде градиента показателя преломления.

Если световод с зеркальными стенками заполнен средой с градиентом показателя преломления, то лучи света будут попадать на отражающие грани под ббльшими углами падения, чем в случае однородной среды, и, следовательно, потери света будут меньше. Для длинных световодов возможен эффект за счет сокращения числа отражений в среде с градиентом показателя преломления, которое будет иметь место только для некоторого интервала углов испускания света.

Связь между показателем преломления и плотностью среды описывается, например, уравнением Лорентц — Лоренца где о — плотность, а А — константа, характеризующая вещество.

Из этого уравнения следует следующее соотношение между приращением показателя преломления и изменением плотности среды:

Ли (nm+ 1) (na — 1) Л: и 6и

Например, для водорода при давлении 1 ата имеем о=-0,08987 г/л и и= 1,0001384 при

T=300 К и р= 1,25 г/л и и= 1,001928 при

Т = 20"К.

Следовательно, перепад значения показателя преломления Ли=0,0018. Если такой перепад показателя преломления имеет место на длине 20 см, то grad и=Ли/L=0,0018/20 см и

Рмакс = 100 м.

Из приведенной оценки видно, что весьма незначительное изменение показателя преломления приводит к вполне заметному искривлению хода светового луча.

Существует несколько возможностеи достигнуть более значительных градиентов показателя преломления. Например, подбор подходящего значения давления газа; применение смеси газов с тем, чтобы достигнуть не только градиента плотности, но и градиента концентрации отдельных компонентов смеси; применение жидкости с паром вблизи критического давления пара и критической температуры в зоне раздела фаз с тем, чтобы достигнуть более плавного изменения показателя преломления при переходе из паровой фазы в жидкую; применение растворов солей в жидкостях.

Улучшс;ппо условий светосбора и транспортировки света могло бы способствовать применение нескольких слоев с градиентом показателя преломления на пути распространения света или неоднократное прохождение одного градиентного с:.оя. В этих случаях неизбежны потери света на границах раздела и отражающих поверхностях, которые следует учитывать, Предложенный способ сбора света от радиатора и транспортировки его к фотоумножителям посредством полого световода с внутренними отражающими стенками отличают наличие в полости световода газообразной, жидкой или частично жидкой и частично газообразной среды с градиентом температуры rro ходу направления света к фотоприемнику, увсличивгпощего плотность среды в сторону фотоприемника. В качестве среды предлагается при., сиять газы, смеси газов, жидкость с паром при давлении, близком к критическому и температурой на границе раздела фаз, близкой к критической, жидкость и ее

436312

Предмет изобретения.: ?7Ь77., . 7777. и, 7,7, 77777 . 7777

Составитель Б. Чурсии

Техред Г. Васильева

Редактор г1. Коган

Корректор В. Кочкарева

Заказ 3306/12 Изд. № 1824 Тираж 537 Подписное

11НИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, 5К-35, Раушская наб., д. 4 5

Типография, пр. Сапунова, 2 пар в смеси с газом, смеси жидкостей и растворы солей в жидкостях.

Среды с одномерным градиентом показателя преломления искривляет любой наклонный луч света до тех пор, пока он не приблизится по направлению к направлению градиента показателя преломления, после чего луч света распространяется только по направлению градиента.

В идеале это свойство слоя с одномерным градиентом показателя преломления приводит к тому, что изотропное излучение может быть преобразовано в параллельный пучок света.,/ /

F /

/ . !7

/ !! !!!г

/ /

Способ сбора света в черенковских или сцинтилляционных счетчиках с применением

5 полых световодов с внутренними отражающими стенками, заполненных жидкой или газообразной средой, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности светосбора, этой среде путем нагрева участка свето10 вода вблизи радиатора и охлаждения участка вблизи фотоприемника создают градиент температуры, увеличивающий показатель преломления среды по направлению к фотоприемнику.