СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАНОВОК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПУЧКА В ПОГЛОТИТЕЛЕ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к экспериментальной области ядерной физики, радиационной и ускорительной техники и может быть использовано для определения энергетических характеристик пучка, тормозных характеристик поглотителя, для изучения динамики формирования и накопления радиационного и объемного заряда в диэлектриках.

Известен способ определения энергии пучка по распределению остановок заряженных частиц (ЗЧ) в материале, заключающийся в следующем /1/. Поглотитель из твердого прозрачного материала (диэлектрика) облучают исследуемым пучком ЗЧ до момента возникновения в диэлектрике электрического пробоя, обусловленного накоплением объемного заряда, вносимого пучком ЗЧ. След пробоя имеет вид ветвистых древовидных каналов, визуализирующих объемное распределение заряда (остановок ЗЧ). По расстоянию между местом входа в диэлектрик и границей видимого следа электрического пробоя судят об энергии ЗЧ. Это расстояние зависит от свойств диэлектрика и энергии ЗЧ. Такой способ позволяет значительно сократить время измерения энергии ЗЧ и упростить сам процесс измерения, например, по сравнению со способом, использующим измерение тока ЗЧ после прохождения ими поглотителей. Однако у этого способа имеется ряд очевидных недостатков:

- способ применим только для прозрачных диэлектриков и пучков ЗЧ низких энергий;

- способ имеет ″ индикаторный оттенок"; определять распределение заряда в диэлектрике, параметры пучка (в особенности для пучков, имеющих значительную энергетическую дисперсию) по расположению древовидных каналов можно только с определенным приближением.

Более близким по техническому решению является способ измерения распределения остановок ЗЧ в поглотителе, описанный в /2/. В основе способа используется последовательное наращивание толщины поглотителя пучка ЗЧ (до его полного поглощения) с одновременным измерением тока прошедшего пучка при помощи, например, цилиндра Фарадея. Наиболее трудоемким процесс измерения становится при низких энергиях частиц (в конце их пробега), когда для получения требуемого разрешения поглотитель необходимо наращивать шагами в несколько микрон. В данном способе процедура измерений состоит из двух частей. Ручным способом наращивается толщина поглотителя, понижающего энергию прошедшего пучка (измерение осуществляется в пучках протонов 10-45 МэВ) до 2-4 МэВ. Затем, по ходу пучка, дополнительно размещается алюминиевая пластинка толщиной 0,76 мм, которая совместно с цилиндром Фарадея, расположенным за ней в одном каркасе, при помощи шагового двигателя с шагом 0,9° может поворачиваться по отношению к оси пучка на угол 45° , изменяя при этом свою толщину поглотителя до полного поглощения оставшейся энергии. На цилиндре Фарадея ток пучка измеряется, как функция угла поворота пластины. Интегральное распределение остановок строится в координатах: толщина поглотителя - ток пучка.

Недостатки способа:

1. Наличие в измерениях ручных операций и необходимость перестраивать измерительную систему при каждом изменении энергии пучка усложняют задачу дистанционного управления экспериментом и автоматизации измерений. В условиях работы на ускорителе и при выполнении большого количества измерений это может привести к большим временным затратам.

2. Возникающие трудности при необходимости термостатировать измерительную систему. Такая задача может возникнуть, если измерения выполняются при сравнительно высоких интенсивностях пучка и на материалах с низкой температурой плавления.

3. Отсутствие реальной возможности выполнять соответствующие измерения для материалов, представляющих определенную опасность, например для токсичных или взрывоопасных.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности выполнения измерений, упрощение способа с точки зрения автоматизации измерений, расширение номенклатуры обмеряемых материалов.

Это достигается тем, что в способе измерения распределения остановок заряженных частиц пучка в поглотителе, основанном на пропускании пучка заряженных частиц через последовательно наращиваемую толщину поглотителя и регистрации за поглотителем тока прошедших частиц, в соответствии с предлагаемым изобретением в качестве поглотителя используется электропроводящая жидкость (ЭЖ) с исходной толщиной, превышающей толщину полного поглощения пучка, жидкость заключают в камеру из диэлектрического материала, а подвижной диэлектрической перегородкой делят ее в камере на два переменной толщины изолированные друг от друга объема, указанные объемы обеспечиваются измерительными цепями тока, а токи, обусловленные торможением пучка заряженных частиц, регистрируют в обеих цепях в зависимости от координаты перегородки, при этом диэлектрические сопротивления измерительных цепей тока, как в том, так и в другом случаях, должны быть намного меньше сопротивления радиационного канала, образующегося в диэлектрической перегородке вследствие прохождения пучка.

Авторам не известен из источников патентной и другой научно-технической информации подобный способ измерения распределения остановок заряженных частиц пучка в поглотителе, содержащий заявляемую совокупность признаков.

Положительный эффект предлагаемого способа достигается за счет следующих неочевидных обстоятельств.

1. Использование в качестве поглотителя электропроводящей жидкости и разделение ее в диэлектрической камере диэлектрической перегородкой на два изолированных объема, каждый из которых за счет перемещений перегородки может изменяться практически от нуля и до объема самой камеры, приводят по существу, к совмещению в одной измерительной камере (с одним рабочим телом) поглотителя (весь объем ЭЖ), цилиндра Фарадея (весь объем ЭЖ) и датчиков ЗЧ (входной и выходной объемы ЭЖ) и к возможности создания, в этой связи, компактной и легкоуправляемой системы для измерения распределения остановок ЗЧ в поглотителе по всей длине прохождения пучка.

Податливость (поглотитель - жидкость) и непрерывность измерительной среды позволяют непрерывно перемещать диэлектрическую перегородку, т.е. осуществлять измерения в точке поглотителя без каких-либо перестроек измерительной системы. Это обстоятельство позволяет без труда выполнить автоматизацию измерительной системы и обеспечить дистанционное управление. Так как глубина камеры (толщина поглотителя) никакими технологическими ограничениями не лимитируется, изначально ее можно выбрать такой, чтобы обеспечить проводник измерений в пучках в необходимом диапазоне энергий.

2. Использование в качестве поглотителя жидкости позволяет без принципиальных трудностей организовать в ней при различных интенсивностях проходящих пучков стабильный температурный режим, прогоняя жидкость через соответствующую петлю "на стороне".

Таким образом, согласно п.1, п.2 в предлагаемом способе, как по энергии, так и по интенсивности, обеспечивается возможность расширить диапазон обмеряемых пучков на неперестраиваемой установке. В этой связи установка, реализующая способ, может приобрести статус прибора.

3. За счет использования в качестве поглотителя электропроводящей жидкости - электролита, например, появляется возможность расширить номенклатуру исследуемых диэлектриков. Для этого путем подбора для данного диэлектрика "тканеэквивалентного" раствора электролита (в зависимости от поставленной задачи "тканеэквивалентность" может быть обеспечена не только по тормозной способности, но и по ядерным реакциям) в последнем моделируются условия прохождения пучка в диэлектрике и распределение остановок ЗЧ. Примеры подбора электролитов "тканеэквивалентных" некоторым диэлектрикам из полимерных материалов описаны в литературе /3/.

Таким образом, вся совокупность признаков, приводящая к решению поставленной задачи нетривиальным путем, свидетельствует об определенном изобретательском уровне.

Изобретение иллюстрируется фиг.1 и 2.

Реализация способа может быть выполнена на устройстве, схема которого изображена на фиг.1, где:

1 - пучок заряженных частиц;

2 - коллиматор;

3 - камера из диэлектрического материала;

4 - окно камеры;

5 - входной объем ЭЖ;

6 - контактный электрод входного объема ЭЖ;

7, 11 - отверстия для перетекания ЭЖ на входе и выходе камеры соответственно;

8 - изолирующее уплотнение;

9 - диэлектрическая перегородка;

10 - выходной объем ЭЖ;

12 - задняя стенка камеры;

13 - контактный электрод выходного объема ЭЖ;

Р₁, Р₂ - полные сопротивления электрических измерительных цепей - для входного и выходного объемов ЭЖ соответственно;

А₁, А₂ - измерители тока в электрических цепях входного и выходного объемов ЭЖ соответственно.

Пучок заряженных частиц I попадает в камеру 3 через коллиматор 2 и окно камеры 4. Камера изготовляется из любого подходящего, диэлектрического материала и заполняется рабочей электропроводящей жидкостью. Глубина камеры выбирается исходя из экспериментальных требований, но всегда не меньше пробега ЗЧ в жидкости. В камере монтируется подвижная диэлектрическая перегородка 9, которая делит электропроводящую жидкость в камере на два переменной толщины, изолированные друг от друга объема: входной объем ЭЖ 5 и выходной объем ЭЖ 10. Электрическая изоляция между входным объемом ЭЖ и выходным объемом ЭЖ обеспечивается за счет изолирующего уплотнения 8 и диэлектрической перегородки 9. Для того чтобы совместить указанные требования по электрической изоляции с подвижностью перегородки, как одним из альтернативных можно воспользоваться решением, приведенным в /3/. Для этого диэлектрическая перегородка монтируется на торце полого цилиндра, заполненного такой же электропроводящей жидкостью, что и сама камера, и выполняющего роль выходного объема ЭЖ. При этом толщина ЭЖ в цилиндре должна также превышать толщину полного поглощения пучка ЗЧ. Цилиндр может перемещаться по всей камере. Шток цилиндра выводится через заднюю стенку камеры 12 и связан с механизмом, обеспечивающим цилиндру (перегородке) поступательное, реверсивное движение. Через контактные электроды 6 и 13 к входному и выходному объемам ЭЖ подсоединяются измерительные цепи тока, включающие в себя полные нагрузочные сопротивления R₁ и R₂, и измерители тока А₁ и A₂, соответственно. Для перетекания ЭЖ, обусловленного изменением входного и выходного объемов вследствие перемещения перегородки, в камере предусматриваются два отверстия 7 и 11, которые связаны со специальными резервуарами. Эти же отверстия можно использовать и для термостатирования камеры.

Таким образом, пучок заряженных частиц, который попадает в камеру, не выйдет за ее пределы и полностью термализуется в поглотителе (проводящей жидкости). За счет появления в камере заряженных частиц в электрических цепях камеры возникнут токи нейтрализации. Так как входной объем ЭЯ и выходной объем ЭЖ изолированы друг от друга, появившиеся там токи будут распределены в соответствии с распределением остановок ЗЧ в поглотителе. Чтобы не нарушать перегородкой тормозной характеристики поглотителя, материал перегородки должен быть "тканеэквивалентным" поглотителю. Подбор диэлектрической перегородки можно выполнить в соответствии с различными средствами, например с /3/. Измеряя токи в цепях входного и выходного объемов ЭЖ в зависимости от координаты перегородки, можно снять одновременно две интегральные кривые распределения остановок ЗЧ в поглотителе. Для непрерывного пучка и при равновесии (электрическое равновесие при относительно низких сопротивлениях электрических цепей входного и выходного объемов ЭЖ наступает очень быстро) соотношение между измеряемыми токами будет иметь следующий вид:

где I_П - ток пучка, проникающего в камеру;

I_ВХ - ток в цепи входного объема ЭК;

I_ВЫХ - ток в цепи выходного объема ЭЖ.

В силу независимости измерительных каналов (измерительные цепи изолированы друг от друга) это соотношение может использоваться для контроля каналов, для контроля пучка, для обнаружения систематических ошибок в измерениях.

Для примера определим условия реализации способа при следующих обстоятельствах.

1. В качестве пучка ЗЧ используется пучок протонов с энергией до 50 МэВ. В таком диапазоне энергий ядерных реакций, обусловленных взаимодействием протонов с ядрами поглотителя, в расчет можно не принимать (с определенным приближением) и полагать, что распределение остановок протонов формируется только за счет их ионизационных взаимодействий.

2. В качестве рабочей пары - ЭЖ - диэлектрическая перегородка, обладающей для указанных протонов равными тормозными способностями, в соответствии с /3/ используется электролит - 44% водный раствор NH₄NO₃ (с толщиной поглощения, обеспечивающей полное поглощение пучка) и пластина из полиметилметакрилата (ПММА).

3. Интенсивность пучка протонов ограничена сверху величиной ≈ 100 nА· см^-2. В таком диапазоне интенсивностей изменения в электропроводности радиационного канала перегородки и электропроводности ЭЖ, обусловленные незначительным нагревом канала перегородки и ЭЖ вследствие прохождения пучка (<1-2 К· с^-1), также незначительны. Значения же электропроводности радиационного канала перегородки и электропроводности ЭЖ определяются соответственно лишь природой диэлектрика и интенсивностью пучка или природой и концентрацией электролита.

Очевидно, что успешная работа измерительной системы будет обеспечена, если диэлектрическая перегородка будет сохранять свои изолирующие свойства в любой точке поглотителя на уровне

где R_рк - электрическое сопротивление радиационного канала, образующегося в перегородке вследствие прохождения через нее пучка протонов.

Только в этом случае входная и выходная цепи камеры не шунтируют друг друга, а токи в них отображают распределение остановок протонов по соответствующим объемам камеры.

Для определения R_рк можно воспользоваться известным выражением для объемной радиационной электрической проводимости /4/:

где Р - мощность дозы в канале;

А и Δ - параметры материала; для ПММА /4/

А=1,4· 10^-15 (Ом· см)^-1×^{Гр-Δ × сΔ , а Δ =0,84.}

При интенсивности пучка протонов (Е_р<50 МэВ)≈ 100 nА· см^-2 минимальное значение (в области брегговского максимума) удельного линейного сопротивления канала в ПММА будет находиться на уровне ~7· 10¹² Ом· см^-1. Даже в перегородках из ПММА, имеющих толщину лишь в 10^-3 или 10^-2 см, радиационные каналы все еще имеют высокие электрические сопротивления - 7 и 70 ГОм соответственно.

Высокое сопротивление радиационного канала перегородки обеспечивает возможность без труда выполнить требование (2), так как электрические сопротивления "элементов" измерительных цепей (как входа, так и выхода) относительно малы. Сопротивление используемого электролита по всей длине камеры не превышает ~ 200 Ом. Такой же приблизительно величины и внутреннее сопротивление токовых измерителей.

Таким образом, при перемещении перегородки в поглотителе (проводящей жидкости) от окна в глубину камеры, например, ток во входной цепи, обусловленный проникающими в камеру ЗЧ, будет отсутствовать до тех пор, пока перегородка не пересечет координату первых остановок ЗЧ. При дальнейшем продвижении перегородки и увеличении входного объема поглотителя все большее число термализовавшихся протонов будет принимать участие в образовании тока, увеличивая его во входной цепи до максимального, когда перегородка достигнет координаты последних остановок ЗЧ, на выходе все будет повторяются "в противофазе".

Так как в предлагаемом варианте намерений

- контролируется весь внесенный в камеру заряд (толщина поглотителя превышает пробег протонов),

- диэлектрическая подвижная перегородка надежно изолирует входной объем от выходного (сопротивление радиационного канала на несколько порядков превышает сопротивления электрических цепей, которые, в связи с этим, не шунтируют друг друга);

- обеспечивается "тканеэквивалентность" перегородки и поглотителя (в результате этого не нарушается распределение остановок ЗЧ в поглотителе);

- доля неконтролируемых ЗЧ, останавливающихся непосредственно в самой диэлектрической перегородке, не вносит существенной ошибки в измеряемые токи (ввиду малой толщины перегородки);

- в процессе выполнения измерений никаких существенных, необратимых изменений ни с поглотителем, ни с перегородкой не происходит (вследствие низкой интенсивности пучка протонов в выбранном диапазоне),

- токи в измерительных цепях как входа, так и выхода зависят только от трех параметров: тока прошедшего в камеру пучка, распределения остановок протонов, координаты перегородки. В этой связи токи в измерительных цепях входа и выхода камеры нетрудно рассчитать.

Для рассчета принято, что ток пучка, попадающего в камеру, равен 100 nА; толщина перегородки выбрана равной 5· 10^-3 см. При такой толщине перегородки погрешность в измерении токов в цепях, обусловленная неопределенностью в поведении заряда, который непосредственно поглощается диэлектрической перегородкой, не превышает 0,5%. За средний пробег протонов R_о принята точка (координата), в которой ток пучка протонов в поглотителе сокращается в два раза, а за исходное распределение остановок протонов принято треугольное распределение в виде равнобедренного треугольника, образованного пересечением трех прямых:

Так как площадь этого треугольника равна единице (основание=2, высота=1), он представляет собой не что иное, как функцию плотности вероятности f(x). Интегрируя функцию f(x) можно найти и интегральную функцию распределения токов F(x). В зависимости от координаты плотность вероятности f(x) и интегральная функция распределения для входного объема F(x)_вх описываются следующим образом:

Для выходного объема интегральная функция распределения токов F(х)_ВЫХ является зеркальным отображением F(x)_ВХ и может быть вычислена из выражения (1).

На фиг.2 представлены расчетные распределения токов в электрических цепях входного (I_ВХ) и выходного (I_ВЫХ) объемов в зависимости от координаты подвижной диэлектрической перегородки. Исходные данные: ток пучка в камере-100 nA; средний пробег протонов в поглотителе - R₀; распределение остановок протонов - треугольное; толщина диэлектрической перегородки - 5· 10^-3 см.

Традиционное применение метода - это область ускорительной техники (определение параметров пучка) и экспериментальная ядерная физика.

Предлагаемое изобретение также может быть использовано специалистами в области радиационной техники, где необходимы знания о распределении объемного заряда в материале, динамике накопления и рассеяния с целью прогнозирования поведения материала в радиационных полях частиц разной природы.

Кроме того, изобретение может найти применение и в ядерной медицине для моделирования условий облучения в тканеэквивалентном фантоме.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №906299, кл. H 01 j 39/00, 1985 г.

2. Internatinal Journal of Radiation Applicational and Instrumentation. Pt. l. Applied Radiation and Isotopes. Vol 42, №9, pp. 888-889, 1991 - (прототип).

3. Патент на изобретение Р № 2148819; C1 кл. 7 G 01 N 27/02, 1999 г.

4. В.К.Милинчук и др. "Радиационная стойкость органических материалов" Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

Использование: для создания установок, определяющих параметры пучка, а также в ускорительной технике, экспериментальной ядерной физике, радиационной технике, ядерной медицине. Сущность: способ заключается в том, что пучок заряженных частиц пропускают через последовательно наращиваемую толщину поглотителя. В качестве поглотителя используют электропроводящую жидкость, заключенную в камеру из диэлектрического материала. Поглотитель в камере разделен на два объема диэлектрической перегородкой, которая подвижна, и за счет ее подвижности последовательно наращивается толщина поглотителя. Указанные объемы проводящей жидкости обеспечены измерительными цепями. В обеих цепях в зависимости от координаты перегородки регистрируют токи, обусловленные остановившимися в поглотителе заряженными частицами. Технический результат: повышение эффективности выполнения измерений, упрощение способа, расширение номенклатуры обмеряемых материалов. 2 ил.

Способ измерения распределения остановок заряженных частиц пучка в поглотителе, основанный на пропускании пучка заряженных частиц через последовательно наращиваемую толщину поглотителя и регистрации за поглотителем тока прошедших частиц, отличающийся тем, что в качестве поглотителя используют электропроводящую жидкость с толщиной слоя, превышающей толщину полного поглощения пучка, жидкость заключают в камеру из диэлектрического материала, а подвижной диэлектрической перегородкой делят ее в камере на два переменной толщины изолированных друг от друга объема, указанные объемы проводящей жидкости обеспечивают измерительными цепями тока, а токи, обусловленные останавливающимися заряженными частицами, регистрируют в обеих цепях в зависимости от координаты перегородки, причем электрические сопротивления измерительных цепей тока как в том, так и в другом случаях намного меньше сопротивления радиационного канала, образующегося в диэлектрической перегородке вследствие прохождения пучка.