Способ регистрации низкоэнергетичных ионизирующих частиц

 

СПОСОБ РЕГИСТРА1Д-Ш НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ, основанньй на измерении ионизации рабочего газа между двумя электродами , заключающийся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации при сохранении низким порога регистрации, рабочий газ в межэлектродном пространстве приводят в сверхзвуковой режим течения . сл ffffOf gD Од 4i О) (НА

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 Т 1/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

7..":»» . °,, и

; »-»»( а.: т

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2923893/ l8-25 (22) 13.05.80 (46) 07.08.85. Бюл. Ф 29 (72) Г.Д. Алхаэов, В.Л. Варенцов и В.В. Ящук (71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова (53) 621.387.424(088.8) (56) Тишкин П.А. Экспериментальные методы ядерной физики. Л., ЛГУ, 1970, с. 21.

2. Бобыкин Б.В. и др., ЭТФ, 48, 1978, с. 560.

3. Авторское свидетельство CCCP

N 510872, кл. С 01 Т 1/18, 1975 (прототип).

„„SU„, 61 A (54)(57) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЪ|Х ИОНИЗИРУ10ЩИХ ЧАСТИЦ, основанный на измерении ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающийся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации при сохранении низким порога регистрации, рабочий газ в межэлектродном пространстве приводят в сверхзвуковой режим течения.

961 4б1

Способ относится к области физического эксперимента и может быть использован при исследованиях с низ= коэнергетичными ионами и электронами для эффективной их регистрации и измерения энергии с помощью газовых ионизационных детекторов.

Регистрация ионизирующих частиц, использующая ионизацию рабочего газа в объеме между двумя электродами при прохождении заряженных частиц через газ, нашла широкое применение в самых различных областях техники и экспериментальной физики. Она может осуществляться в трех режимах: 15 ионизационном, пропорциональном и газоразрядном (1).

Ионизадионный режим используется, как правило, для регистрации частиц, создающих большую удельную иониза- 20 цию (о -частицы, другие ядра с большой энергией). В этом случае ионизационный ток при постоянном потоке ионизирующего излучения не зависит от небольшого изменения приложенного 5 к камере напряжения.

Для регистрации отдельных частиц с малой удельной ионизацией (электроны, ядра с малой энергией) применение ионизацион ого режима регистра- 30 ции практически невозможно, так как импульсы тока, возникающие в этом случае при прохождении ионизирующих частиц через рабочий газ, очень малы и амплитуды их сравнимы с шумами радиотехнических устройств.

С целью увеличения амплитуды им-, пульсов используют. газовое усиление ионизационного тока за счет вторичной ионизации при движении электро- 4Q нов в сильном электрическом поле. В этом случае возникает лавинный про— цесс газового усиления ионизационного тока. Если коэффициент газового усиления не зависит от числа первичных пар ионов„ то имеют дело с пропорциональным режимом регистрация.

В газоразрядном режиме используют самостоятельный разряд в газе, возникающий при определенной, довольно вы-5О сокой разности потенциалов, прило— женной к электродам регистрирующей системы. Давление рабочего газа в этом режиме обычно выбирают порядка

10 мм рт.ст. В этом режиме осуществля- ется лишь регистрация частиц без из— мерения их энергии. При регистрации низкоэнергетическлх ионизирующих частиц в одном из указанных режимов ,частицы вводят в объем рабочего газа через окно, закрытое тонкой пленкой.

Но даже наличие этой пленки приводит к значительным потерям энергии регистрируемых частиц до их попадания в объем рабочего газа. Возникает большая неопределенность в их энергии, что снижает точность измерений.

Так как пробеги указанных частиц малы, то толщиной пленки задается нижний энергетический порог регистрации частиц.

Для тяжелых ядер (сА 100 а.е.м) с энергией порядка )00 КэВ пробег в

2 гелии составляет величину 10 мкг/см .

Для ядер с меньшими А и для более тяжелого, чем гелий (А=4 а.е.м.), про.бег замедлителя будет еще меньше. В настоящее время нельзя сделать механически прочную пленку, способную выдержать перепад давлений 1

100 мм рт.ст. и имеющую толщину

2 меньше нескольких десятков мкг/см до".òàòî÷íîé площади. Таким образом, регистрация ионизирующих частиц с энергией меньше 100 КэВ в газораз- рядных устройствах, имеющих окно, закрытое тонкой пленкой достаточной площади, невозможна.

Известен способ регистрации электронов с энергией 1 КэВ и ионов с энергией меньше 300 КэВ в газоразрядном режиме L23.

В данном способе регистрируемые частицы вводились в объем рабочего

2 газа через очень тонкую (31 мкг/см ) коллодиевую пленку в окне, разделяющую объем детектора и высоковакуумный тракт. Минимальная энергия регистрируемых ионов и электронов огра— ничена толщиной пленки. Работа в ионизационном и пропорциональном режимах не эффективна.

Наиболее близким к изобретению является способ регистрации низкоэнергетичных ионизирующих частиц, основанный на ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающийся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем 31.

Способ основан на регистрации ионизирующих частиц с помощью газоразрядного счетчика низкого давления и фотоэлектронного умножителя. В данном способе в газоразрядном счетчике поддерживалось давление рабочего газа 10 — 10 мм рт.ст. Малое дав-5

3 9614 ление рабочего газа позволило авторам использовать свободное от пленки ок-. но ° Несмотря на то что в данном способе использовался газоразрядный режим, сигнал на электродах получал- 5 ся очень малой амплитуды. Поэтому использовали для счета частиц сигнал от фотоумножителя, возникающий в момент зажигания разряда.

Основными недостатками данного IG способа являются довольно низкая его эффективность 5-6Х для электронов с энергией 15 КэВ и 24-287. для энергии электронов 1000-500 КэВ и невозможность использования способа для 15 газовых ионизационных детекторов в пропорциональном и ионизационном режимах и, следовательно, невозможность измерения энергии регистрируемых частиц. Эти недостатки обу- 20 словлены невозможностью создания более высокого давления рабочего газа без заметного ухудшения вакуума в прилегающей к детектору системе.

Целью изобретения является повы- 25 шение эффективности регистрации при сохранении низким порога регистрации.

Это достигается тем, что в способе регистрации низкоэнергетичных ионизирующих частиц, основанном на ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающемся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, рабочий газ в межэлектродном пространстве приводят в

35 сверхзвуковой режим течения любым из известных способов.

На чертеже представлена схема, поясняющая предлагаемый способ.

Устройство состоит из камеры 1 40 напуска рабочего газа, сверхзвукового сопла Лаваля 2, рабочего объема детектора 3, анода в виде тонкой нити 4, окна 5, заземленного катода в виде цилиндра 6, отсекателя 7, камеры отсекателя 8, изоляторы 9.и 10 системы крепления нити и подачи высокого напряжения.

Между катодом и анодом поддерживается высокая разность потенциалов.

Сигнал снимается с анода.

Предлагаемый способ состоит в следующем. Рабочий газ, находящийся при достаточно высоком давлении (от 0,01 до 10 атм) в камере напуска 1, подают через сверхзвуковое сопло Лаваля

2 в камеру отсекателя 8.При истечении в вакуум сверхзвуковой поток га61 ф за, сформированный соплом Лаваля 2, обладает резкой границей с вакуумом.

Наличие трения между стенками сопла и прилегающим.к ним газом приводит к замедлению пристеночного слоя газа в сопле. Из-за вязкости это замедление распространяется вглубь струи.

Таким образом возникает дозвуковой пристеночный пограничный слой газа, который приводит к размытию границы между струей и вакуумом. Если не принимать специальных мер, например охлахфения рабочего газа в камере напуска, то произойдет ухудшение вакуума в прилегающих к детектору частях установки. Для отделения пограничного слоя от сверхзвукового ядра струи используют отсекатель 7. Тем самым обеспечивают более резкую границу между струей и вакуумом в рабочем объеме детектора 3 ° Пучок ионов или электронов низкой энергии поступает в рабочий объем детектора 3 через свободное от йленки окно 5. B результате иониэации при прохождении заряженных частиц в газе образуются электроны и ионы. Ионизация происходит в объеме между двумя электродами (ано= дом 4 и катодом 6), между которыми приложена разность потенциалов К .

В электрической цепи питания возникает импульс тока. Этот импульс и является регистрируемым сигналом. В ионизационном и пропорциональном режимах величина импульса тока несет информацию о энергии регистрируемых частиц. В газоразрядном режиме регистрируют только число частиц.

Так как длительность сигнала со6 ставляет величину «10 с, то существенно более медленный процесс направленного движения рабочего газа не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на работу детектора.

Для уменьшения вероятности пробоя сопло Лаваля 2 выполняют из изолирующего материала. Нить анода 4 крепится на оси системы с помощью изоляторов 9 и 10.

Излишки рабочего газа из камеры отсекателя и из рабочего объема откачиваются с помощью системы насосов (направление показано стрелками на чертеже).

Такое техническое решение позволяет обеспечить широкий диапазон плотности газа в рабочем объеме детектора, не ухудшая вакуум в прилегаю961461

Редактор О. Юркова

Техред И. Надь

Корректор В. Гирняк

Тираж 748 Подпн1с н о е

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 5720/i

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 щих частях установки. В пересчете на толщину газовой струи в рабочем объеме Ъ = y o, где у плотность в струе (мкг/см ), of — диаметр струи (см), обеспечивают толщины h в диапазоне, (5 10 — 10 ) мкг/см2.

Изменение плотности рабочего газа в рабочем объеме детектора осущест вляется за счет изменения давления ра-fp бочего газа в камере напуска 1 и степени расширения газа в сверхзвуковом сопле Лаваля 2 и в камере отсекателя 8.

Широкий диапазон давлений и .отсутствие пленки, закрывающей входное окно детектора, позволяет использовать предлагаемый способ для регистрации ионов и электронов в любом из указанных выше режимов. 20

Верхний предел энергии регистрируемых частиц в режиме измерения энергии определяется максимально достижимой толщиной газа в рабочем объеме детектора (100 мкг/см ) и составляет 25

2 величину: для ионов — порядка сотен

КэВ, для электронов — порядка десятков КэВ. Нижний энергетический порог регистрации определяется способно— стью регистрируемых частиц произво- gp дить ионизацию рабочего газа, т.е. равен или несколько больше потенциала ионизации атомов рабочего газа (порядка десятков эВ).

Пример 1. Для регистрации 35 электронов в диапазоне энергий от

500 эВ до 30 КэВ их вводят в сверхзвуковую струю рабочего газа через свободное от пленки окно, как это показано на чертеже. Давление газа 4р в рабочем объеме детектора составляет величину 0,1 мм рт.ст., разность потенциалов между катодом и анодом 1200 В. Регистрация электронов осуществлялась в газоразрядном режиме. Эффективность регистрации электронов с энергией в указанном диапазоне 1007..

Пример 2. Для регистрации тяжелых ионов и диапазоне энергий от 100 эВ до 300 КэВ их вводят в сверхзвуковую струю рабочего газа через свободное от пленки окно.

Для обеспечения измерения энергии регистрируемых ионов используется пропорциональный режим регистрации.

При следующих параметрах детектора:

Давление газа в рабочем объеме детектора 1,6 мм рт.ст, Радиус катода 1 см

Радиус нити анода 0,01 см

Разность потенциалов между анодом и катодом V„= 570 В

Коэффициент газового усиления К 100

В этом случае толщина газовой струи в рабочем объеме детектора 30 мкг/см

2 что и обеспечивает работу детектора в -указанном диапазоне энергий тяжелых ионов практически со 1007-ной эффективностью.

Таким образом, изобретение позволяет значительно снизить энергетический порог анализируемых частиц, и его нижний предел определяется способностью регистрируемых частиц производить ионизацию рабочего газа. Эффективность регистрации обеспечивается равной почти 1007.