СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1994 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в исследованиях в области экспериментальной ядерной физики, физике твердого тела, а также в других областях, где необходимо просто и с достаточной точностью определить энергию тяжелых заряженных частиц.

В ускорительной технике известны следующие способы определения энергии заряженных частиц: по длине пробега электронов в веществе с помощью трековых приборов или пропорциональных счетчиков; по интегральному ионизационному или сцинтилляционному эффекту с помощью ионизационных, газовых или полупроводниковых детекторов; по отклонению заряженных частиц в магнитном поле.

Известен способ определения энергии заряженных частиц по длине пробега в наборе поглощающих фольг, состоящий в следующем: на пути пучка, ток которого измеряют с помощью коллектора-цилиндра Фарадея, помещают поглощающую фольгу и измеряют ток, затем добавляют еще фольгу и регистрируют уменьшение тока и т. д. Кривые трансмиссии получаются в виде зависимостей проходящего тока от числа фольг, т. е. от толщины поглотителя. За экстраполированный пробег принимают толщину поглотителя, получающегося при пересечении касательной к резко падающей части графика с осью абсцисс. В общем случае экспериментально полученная зависимость экстраполированного пробега заряженных частиц от их энергии имеет сложный характер и только для небольших диапазонов энергии она имеет простой вид.

Измеряя значение пробега по описанной методике и используя соотношения Е(МэВ) = 1,9 R_э(Г/см²) + 0,2 (1) для соответствующего диапазона энергий определяют энергию частиц пучка [1] .

К недостаткам данного способа можно отнести то, что значение R_э, входящее в формулу (1), зависит от выбора линейного участка кривой поглощения моноэнергетических заряженных частиц, что приводит к неоднозначности определения величины пробега заряженных частиц в мишени. Кроме того, применение данного способа связано с довольно трудоемким и длительным процессом измерения.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ определения места прохождения и ординаты центра тяжести пучка, измеряя временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, снимаемого с пьезоакустического датчика. Способ состоит в следующем: на пути пучка, заряд в пучке которого измеряют с помощью цилиндра Фарадея или магнитоиндукционного датчика, ставят твердотельную мишень, на торцах которой закреплены пьезоакустические датчики (ПАД). При прохождении пучка заряженных частиц через мишень в ней возникают механические напряжения, которые фиксируют пьезоакустический датчик. В зависимости от места попадания пучка в мишень меняется время задержки τ= L/v_пр, где L - расстояние от места падения центра тяжести пучка до пьезопреобразователя; v_пр - скорость продольной волны в волноводе. Измеряя разность времени между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, определяют место прохождения пучка, а измеряя разность времени между моментами прохождения максимума распределения, получают ординаты центра тяжести пучка [2] .

Данная методика может быть применима для измерения энергии тяжелых заряженных частиц, если использовать мишень на полное поглощение пучка и датчик разместить на оси противоположной стороны мишени, по отношению к направлению падения пучка. Измеряя временной интервал ΔТ между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, можно определить глубину проникновения частиц в вещество мишени, используя соотношение
R = H -ΔTv_пр, где Н - толщина мишени;
v_пр - скорость продольной акустической волны в интервале мишени.

По пробегу заряженных частиц определяется энергия пучка по экспериментальным таблицам зависимостей пробег-энергия для различных материалов.

К недостаткам известного способа можно отнести то, что для повышения точности методики необходим съем информации с большой серии ПАД, размещенных на поверхности мишени, что связано с довольно трудоемким и длительным процессом измерения, а применительно к измерению энергии тяжелых заряженных частиц недостатком является зависимость точности измерения от погрешности в табличных величинах скорости продольной акустической волны в веществе мишени. Средняя погрешность измерения энергии с помощью такого способа составляет 3% .

Цель изобретения - повышение точности определения энергии тяжелых заряженных частиц.

Это достигается тем, что в известном способе определения энергии тяжелых заряженных частиц, включающем облучение мишени, регистрацию акустического излучения, инициируемого при взаимодействии импульсного пучка заряженных частиц с веществом мишени, измерение временного интервала между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, определение глубины проникновения заряженных частиц в вещество мишени и нахождение энергии частиц по известным соотношениям пробег-энергия, дополнительно измеряют временной интервал между вторым и третьим переотраженными от поверхности мишени акустическими сигналами, а глубину проникновения заряженных частиц определяют из соотношения
R = H - , (2) где Н - толщина мишени;
ΔТ - временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и генерируемого акустического сигнала;
Δτ - временной интервал между вторым и третьим переотраженными акустическими сигналами.

По пробегу заряженных частиц определяется энергия пучка по экспериментальным таблицам зависимостей пробег-энергия для различных материалов.

Существенным отличием предлагаемого способа является дополнительное измерение временного интервала между вторым и третьим переотраженными от поверхности мишени акустическими импульсами. Если измерять временной интервал между первым и вторым акустическим импульсом, то он больше, чем временной интервал между вторым и третьим переотраженными импульсами. Это объясняется тем, что импульс отражается не от внешней поверхности облучаемой мишени, а от ближней к линии задержки поверхности слоя контактной смазки, что вносит погрешность в методику измерения. Измеряя временной интервал между вторым и третьим импульсами, мы тем самым устраняемся от влияния на погрешность измерения шероховатости поверхности мишени, толщины контактной смазки, что позволяет с большей степенью точности, чем в таблицах, определять значение скорости акустической волны в волноводе. Это позволяет уменьшить погрешность измерения энергии тяжелых заряженных частиц, исключая из формулы определения глубины проникновения тяжелых заряженных частиц табличную величину скорости продольной акустической волны в материале мишени. Применение данной методики позволяет измерять энергию тяжелых заряженных частиц в мишенях из различных материалов и сплавов.

На чертеже приведена схема экспериментальной установки, реализующей предлагаемый способ.

Пучок заряженных частиц падает в центр мишени 1, возбуждая в области взаимодействия ультразвуковые колебания, которые регистрируют ПАД 2, расположенным в центре тыльной поверхности твердотельной мишени. Электрический сигнал с ПАД подается через предварительный широкополосный усилитель 3, выход которого согласован с длинным кабелем, на два измерителя 4 и 5 временных интервалов, один 4 из которых измеряет временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, другой 5 измеряет временной интервал между вторым и третьим акустическим импульсом. Измеритель временных интервалов основан на измерении числа заполняющих импульсов в измерительном интервале времени.

Из соотношения (2) определяется максимальная глубина проникновения заряженных частиц в мишени. Зная пробег, находим энергию пучка с помощью опубликованных таблиц зависимостей пробег-энергия для данного материала.

Точность определения энергии ускоренных заряженных частиц в данном случае зависит от погрешности измерительной аппаратуры и табличных зависимостей пробег-энергия.

В качестве измерителя временных интервалов используется частотомер ЧЗ-34, погрешность измерения которого в микросекундном диапазоне не превышает долей процента, толщина мишени определяется с помощью микрометра, с точностью 0,1% , погрешность построения экспериментальных зависимостей пробег-энергия не превышает 1% , следовательно, средняя ошибка предлагаемого способа определения энергии ускоренных заряженных частиц не хуже 1% .

П р и м е р. Проводилось определение энергии импульсного протонного пучка на линейном ускорителе протонов И-100 (г. Серпухов). Энергия протонного пучка Е = = 100 ±1 МэВ. Пучок ускоренных протонов падал в центр свинцовой мишени диаметром 200 мм и толщиной 50 мм.

При взаимодействии протонного пучка с мишенью возбуждаются акустические импульсы, которые фиксируются ПАД, выполненного на базе пьезокерамики ЦТС-19. Электрический сигнал, являющийся реакцией пьезопреобразователя на приход акустических импульсов, с выхода ПАД поступает на вход широкополосного усилителя УЗ-29, после которого по длинному кабелю подается на вход частотомера ЧЗ-24, стартовым импульсом которого является сигнал с пролетного индукционного датчика тока ускорителя, а импульсом стоп-акустический сигнал с ПАД. Этот же сигнал с усилителя УЗ-29 подается на вход другого частотомера ЧЗ-24 для измерения временного интервала между вторым и третьим акустическими импульсами через схему управления старт-стоповым импульсом. Для визуального наблюдения электрический сигнал с широкополосного усилителя УЗ-29 подается на один из входов двухлучевого запоминающего осциллографа СI-17, на другой вход подается сигнал с пролетного индукционного датчика тока ускорителя. Запуск осциллографа осуществлялся синхроимпульсом ускорителя. Временная задержка ΔТ между передними фронтами импульса начала сброса пучка ускорителя и электрического сигнала, снимаемого с ПАД, измерена первым частотомером и равна 16,11 мкс.

Временной интервал между вторым и третьим акустическими импульсами измеряется вторым частотомером и равен 11,29 мкс.

При толщине Н мишени, равной 50 мм, пробег протонного пучка в свинцовой мишени вычислен по формуле (2)
R = 0,05 - = 1,43, см.

По пробегу протонного пучка энергия заряженных частиц определяется по экспериментальным таблицам зависимостей пробег-энергия, для свинца полученная таким образом энергия протонов составляет величину, равную 100,5 МэВ.

Данные измерения проводились при известной энергии пучка протонов (100 МэВ) и поэтому можно сделать вывод о том, что предложенный способ позволяет определять энергию протонного пучка в свинцовой мишени с точностью не хуже, чем метод определения места положения и ординаты центра тяжести пучка, в основе которого лежат измерения временного интервала между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, и составляет ≈ 1% .

Соответствующая реализация данного способа позволяет автоматизировать процесс измерений и проводить практически в масштабе реального времени.

Предлагаемый способ основан на измерении временных характеристик генерируемого акустического излучения, в частности, момента прихода акустического сигнала на тыльную поверхность мишени и не нуждается в предварительной экспериментальной калибровке.

Таким образом, реализация данного способа по сравнению с ранее известными методами акустической диагностики обеспечивает получение качественно новой характеристики - энергии заряженных частиц, а по сравнению с прототипом - повышение точности измерения, за счет исключения погрешности в табличных величинах скорости продольной акустической волны. (56) 1. Миловаков О. С. и Смирнов И. А. В кн. Ускорители, вып. XI. М. : Атомиздат, 1969, с. 57.

2. Арменский Е. В. и Емельянов В. К. ПТЭ, 1973, N 2, с. 44-47.

Использование: относится к ускорительной технике и может быть использовано в исследованиях в области экспериментальной ядерной физики, физики твердого тела и т. п. Сущность изобретения: при регистрации акустического излучения, инициируемого при взаимодействии импульсного пучка заряженных частиц с веществом мишени дополнительно измеряют временной интервал между вторым и третьим переотраженными от поверхности мишени акустическими сигналами, а глубину проникновения заряженных частиц определяют из соотношения , где H - толщина мишени, DT - временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и генерируемого акустического сигнала; ΔT - временной интервал между вторым и третьим переотраженными акустическими сигналами. При использовании экспериментальными таблицами зависимостей пробег- энергия для различных материалов определяется энергия заряженных частиц. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающий облучение мишени, регистрацию акустического излучения, инициируемого при взаимодействии импульсного пучка заряженных частиц с веществом мишени, измерение временного интервала между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, определении глубины проникновения заряженных частиц в вещество мишени и нахождении энергии частиц по известным соотношениям пробег - энергия, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения энергии заряженных частиц, дополнительно измеряют временной интервал между вторым и третьим переотраженными от поверхности мишени акустическими сигналами, а глубину проникновения заряженных частиц определяют из соотношения
R= H- ,
где H - толщина мишени, м;
T - временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и генерируемого акустического сигнала, с;
Δτ - временной интервал между вторым и третьим переотраженными акустическими сигналами, с.