Способ акустического детектирования ионизирующего излучения

 

О П И С А Н И Е <>78О672

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских Соцналнстнческнх

Республик

Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 31.05.79 (21) 2774264/18-25 (51) М.Кл. G 01 Т I/16 с присоединением заявки—

Гасударственный комитет

СССР ао делам изобретений н аткрытнй (23) Приоритет— (43) Опубликовано 23.05.82, Бюллетень № 19

"> (45) Дата опубликования описания 23.05.82 (53) УДК 621.387;424 (088.8) (72) Авторы изобретения

Б. И. Кузнецов и В. Н. Слиико

Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена

Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С. М. Кирова (71) Заявитель (54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к технике изме- рения ядерных излучений, а именно к измерению интенсивности и спектрального р асдределения заряженных частиц, гаммаквантов, нейтронов, сопровождающих ядерные реакции, и может найти применение в ядерной физике и областях техники, где возникает необходимость измерения ионизирующих излучений.

Известен способ акустической регистра- 10 ции ионизирующих излучений, заклю чающийся в том, что излучение пропускают через среду, например свинец, алюминий, и регистрирует ультразвуковые колебания среды, возникающие в результате темпера- 15 турных напряжений в треке (1).

К недостаткам данного способа следует отнести возможность регистрации только заряженных частиц с высокой плотностью ионизации (таких, как многозарядные 20 ионы (Z)80) или гамма-квантов с энергией больше 10" эв, что связано с величиной порога регистрации существующей аппаратуры (примерно 10" см); сильное перепоглощение ультразвуковых колеба- 25 ний в среде, в результате чего регис1грируемый сигнал подавлен в 2 — 10 раз.

Ближайшим к предлагаемому является спосоо акустической регистрации излучения, заключающийся в том, что звуковой сигнал от внешкего источника пропускают через акустически проводящую среду, например дистиллированную воду, облучают среду детектируемым излучением и измеряют степень гармонического искажения звукового сигнала, возникающую в результате изменения линейной динамической упругости акустической среды на нелинейную при поглощении энергии ионизирующего излучения (2).

Малые величины деформации, создаваемые ионизируюшим излучением, приводят к тому, что данный способ позволяет регистрировать также излучения с высокой плотностью нснизацип или интегральные потоки, что существенно повышает, энергетический порог регистрации.

Цель изобретения — расширение энергетического диапазона регистрации.

В известном способе акустического детектирования иокизирующего излучения, заключающемся в том, что звуковой сиг нал от внешнего источника пропускают через акустически проводящую среду, облучают среду детектируемым излучением и измеряют степень искажения звукового сигнала; -в качестве среды используют материал, находящийся в сверхйроводящем состоянии, измеряют изменение интенсивности прошедшей звуковой волны при об780672 лучении сверхпроводника ионизирующим излучением. А также тем, что в качестве акустически проводящей среды используют сверхпроводники с сильной связью.

Звуковая волна при прохождении через металлы взаимодействует C ними посредством следующих механизмов: рассеяние звука решеткой, рассеяние звука на свободных электронах, поглощение звука.

При температурах значительно меньших, чем дебаевская (— 100 К) температура, вероятность рассеяния звуковой волны решеткой обычно меньше, !чем вероятность рассеяния ее электронами; в свою очередь, сечение поглощения звука свободными .электронами превышает сечение рассеяния электронами в — 10 раз (в рас сматриваемой области низких температур).

Сильное затухание ультразвуковой волны, связанное с электронами проводимости, приводит к тому, что при переходе материала в сверхпроводящее состояние наблюдается резкое уменьшение поглощения звука с понижением температуры ниже

Т,. — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Это связано с тем, что если в нормальном металле возможен процесс поглощения фонона (кванта звукового колебания) ультразвуковой волны любой частоты, то в сверхпроводнике соответствующий процесс рождения фононом пары возбуждений при Т<Т,- оказывается возможным только в случае, когда энергия фонона не меньше порогового значения, равного Ак=2К(Т), где Ьв

h энергия кванта звуковой волны 6—

2-« нормированная постоянная Планка; а частота звуковой волны; 2Л(Т) — удвоенная величина щели в энергетическом спектре нормальных электронов. При

Ьа <2h(T) ультразвуковая волна поглощается лишь нормальными электронами, находящимися вне конденсата куперовских пар, количество которых резко падает с уменьшением температуры ниже Т,. Отношение коэффициентов поглощения звука в сверхпроводящем (у,) и нормальном состояниях (у„) описывается следующей формулой

Наиболее сильное изменение коэффициента поглощения звука наблюдается в сверхпроводниках с сильной связью, таких как ниобий, свинец. Так, если в обычном случ,ае коэффициент в формуле

Т Т,= 1 — Т равен а=3,06, то для свинца а=4, что и определяет более резкое убывание затухания ультразвука с понижением температуры ниже Т„"

5 Поглощение энергии ионизирующего излучения сверхпроводником приводит к образованию нормальных электронов за счет разрушения куперовских пар и разогрева решетки, локальный разогрев решет10 ки, в свою очередь, приводит к образованию нормальных электронов. В результате увеличивается коэффициент поглощения звука в области трека. Расчеты показали, что при прохождении альфа-частицы с энергией 1 МЗВ через ниобий, находящийся в сверхпроводящем состоянии при

Т=4,2 К, коэффициент поглощения звука в треке увеличивается больше, чем .15 раз.

Один из вариантов устройства, реализу20 ющего данный способ, приведен на чертеже.

Детектор состоит из сверхпроводящего материала цилиндрической формы 1 (например, ниобия), на торцах которого рас25 положены пьезоэлектрические датчики 2 и

3, один из которых выполняет функцию источника .звуковых колебаний (2), вто рой — приемника (3) . Детектор монтируется на хладопроводе 4, который осуществляет тепловой контакт детектора со стенками криостата 5, погруженного в жидкий гелий. Рабочая температура детектора Т<Т„, Звуковые колебания частотой (0-10 — 10 Гц генератора 6 через датчик 2 поступают в объем сверхпроводника. При Л:<2Л (Т) звуковая волна проходит через сверхпроводник без поглощения и поступает на приемник 3. При попадании ионизирующего излучения в сверх40 проводник, происходит резкое повышение числа нормальных электронов в треке и, соответственно, коэффициента. Это приводит к модуляции интенсивности звуковой волны, поступающей в датчик 3, что и яв45 ляется сигналом о попадании излучения в детектор. Полезный сигнал проходит через буферный каскад 7, который согласует низкоомное выходное сопротивление детектора с высокоомным входным сопротивле50 нием спектрометрического тракта. В спектрометрическом тракте 8 проводится обычная обработка полезного сигнала до параметров, необходимых для работы амплитудного анализатора 9.

55 Использование предлагаемого изобретения обеспечивает расширение энергетического диапазона регистрации ионизирующего излучения в сторону низких энергий по меньшей мере в 10 раз по сравнению с прототипом.

Ф ормула изобретения

1. Способ акустического,детектирования ионизирующего излучения. заключаю780672

Составитегп Б. Рахманов

Техред И. Пенчко Редактор Н. Багирова

Корректор И, Осиповская

Заказ 450/419 Изд. № 148 Тираж 719 Подписное

НП0 «Поиск» Государственного комитета СССР по дедам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д, 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

-:щийся в том, что звуковой сигнал от внешнего источника пропускают через акусти чески проводящую среду, облучают среду детектируемым излучением и измеряют степень искажения звукового сигнала, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения энергетического диапазона детектирования, в качестве среды используют материал в сверхпроводящем состоянии и измеряют изменения интенсивности звукоззой волны в результате облучения.

2. Способ акустического детектирования по п. 1, отл ич а ющийся тем, что в качестве акустически проводящей среды используют сверхпроводники с сильной

5 связью, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1

1. Калиниченко А, И. и Ладурик-Эльцуфин В. Т., ЖЭТФ, 1973, т. 65, с. 12.

10 2. Патент США № 3991313, опубл, 1976 (прототип).