Способ определения уровня поверхности жидкого благородного газа в двухфазном эмиссионном детекторе Российский патент 2025 года по МПК G01F23/263 G01T1/20 

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к двухфазным эмиссионным детекторам, применяемым для регистрации нейтрино (антинейтрино) или поиска частиц темной материи.

В качестве рабочего вещества для данного класса детекторов используется благородный газ аргон или ксенон, который охлаждается до криогенных температур, что позволяет ему находиться в жидкой фазе, образуя газообразный слой над его поверхностью.

В результате взаимодействия различных частиц с жидкой фазой происходит ионизация среды, а также возбуждение атомов, приводящее к сцинтилляции. Образованные ионизационные электроны движутся под воздействием внешнего приложенного электрического поля к границе раздела фаз между жидкостью и газом. После выхода из жидкой фазы в газообразную (эмиссии), электроны продолжают двигаться в газовой фазе, испуская свет в виде электролюминесценции (пропорциональной сцинтилляции). Благодаря электролюминесцентному усилению сигнала двухфазные эмиссионные детекторы могут обнаруживать малые энерговыделения, что позволяет использовать их в экспериментах по регистрации процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах или поиску слабовзаимодействующих массивных гипотетических частиц темной материи (вимпов).

Важным параметром, требующим контроля в двухфазных эмиссионных детекторах, является положение уровня жидкой фазы благородного газа. Точное знание этой величины необходимо для оценки значения электрического поля в газовом промежутке, поскольку оно определяет интенсивность электролюминесценции и вероятность выхода электронов из жидкой фазы в газовую.

Известен способ прецизионной принудительной установки уровня раздела фаз в эмиссионных детекторах. В детекторах темной материи LUX и XENON (D.S. Akerib et al., The Large Underground Xenon (LUX) Experiment. Nucl. Instrum. Meth. A 704:111-126, 2013; E. Aprile et al., The XENON1T dark matter experiment. Europ. Phys. J. C 77:881, 2017) для этого используется так называемый “водолазный колокол”, нижний край которого «жестко» задает уровень жидкости, или необходимый уровень достигается при помощи слива лишнего количества жидкости через край с фиксированным положением. Основным недостатком такого метода является невозможность изменения уровня жидкости в случае необходимости.

Наиболее близким к заявленному решению является способ определения уровня ксенона, основанный на измерении ёмкости между электродами (E. Aprile et al., The XENON100 dark matter experiment. Astroparticle Physics 35:573–590, 2012.). Внутри детектора устанавливаются специальные электроды, которые образуют конденсатор. Один электрод находится погружённым в жидкий ксенон, а другой находится в газовой фазе, либо это может быть цилиндр в цилиндре. Поскольку значение ёмкости зависит от толщины слоя, заполненного диэлектриком, изменение уровня жидкости изменяет ёмкость, так как жидкость имеет гораздо более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению с газом. Когда уровень жидкости изменяется, то вследствие этого изменяется объём жидкого ксенона между электродами, что влияет на общую ёмкость. Емкость измеряется с помощью стандартного измерителя емкости - конденсатора.

Недостатком данного способа является низкая точность определения абсолютного значения уровня, определяемая большой паразитной емкостью соединительных кабелей, а также добавлением дополнительных радиоактивных элементов (емкостей) в чувствительный объем детектора (что существенно важно для низкофоновых экспериментов).

Уровень раздела фаз жидкость/газ может быть измерен без применения дополнительных измерительных устройств внутри рабочего объема детектора при помощи рабочих электродов самого детектора.

Технический результат изобретения заключается в увеличении точности измерения уровня жидкого благородного газа в двухфазном эмиссионном детекторе.

Технический результат изобретения достигается за счет определения уровня жидкого аргона/ксенона с помощью измерения относительного изменения емкости непосредственно между рабочими электродами двухфазного эмиссионного детектора с помощью зарядо-чувствительного предусилителя (ЗЧПУ) путем измерения величины опорного сигнала, подаваемого через эти электроды, в зависимости от уровня заполнения детектора жидкостью.

Указанный технический результат достигается за счет того, что значения электрических емкостей между рабочими электродами значительно превосходят значения емкостей любых дополнительно устанавливаемых специальных емкостных датчиков. В первом приближении пары этих электродов можно считать плоскими конденсаторами. Емкость плоского конденсатора рассчитывается по формуле:

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показано схематическое расположение сеток в двухфазном эмиссионном детекторе. Цифрами обозначены:

1 и 6 – верхняя и нижняя заземленные сетки;

2 – анодная сетка;

3 и 4 – сетки электронного затвора;

5 – катодная сетка.

На Фиг. 2 показано последовательное соединение двух конденсаторов, поясняющее принцип относительного измерения уровня;

На Фиг. 3 показана схема измерение емкости С₁ между электродами 2 и 3;

На Фиг. 4 показана временная диаграмма, поясняющая процесс измерения.

Рабочие значения электрических полей внутри детектора (Фиг.1) задаются путем подачи различных номиналов напряжения на сетчатые электроды, выполненные в виде двух металлических половинок колец, между которыми зажаты тонкие проволочки или травленая металлическая фольга с отверстиями. Измерение относительного изменения электрических емкостей между электродами 2 и 3, 3 и 4 производится в процессе заполнения электродной системы жидким аргоном (или ксеноном). Диэлектрическая проницаемость газообразного аргона с большой точностью равна . По мере заполнения будет меняться толщина слоя жидкого аргона между электродами, при этом должна изменяться емкость конденсаторов, образованных электродами 2 и 3, 4, так как диэлектрическая проницаемость аргона равна .

Относительное изменение емкости конденсатора измеряется при помощи схемы измерений с использованием ЗЧПУ. Характерным свойством зарядо-чувствительного предусилителя является его очень большая динамическая емкость. Поясняющая схема, на которой показано последовательное соединение измеряемой емкости С₁ и емкости С₂ (C₂>>C₁), эквивалентной динамической емкости ЗЧПУ, приведена на Фиг.2. На цепочку конденсаторов подано напряжение U_A. Для такого соединения будут справедливы следующие соотношения:

При С₂ → ∞ U_b → 0, тогда

,

Т.е. разность потенциалов на С₁ стремится к U_A. Поскольку заряды на конденсаторах С₁ и С₂ равны (Q₁=Q₂), а ЗЧПУ измеряет заряд Q₂,

получим Q₂=Q₁=U_AC₁ и Q₂ ~ C₁. (3)

Т.е., сигнал с ЗЧПУ пропорционален значению емкости конденсатора С₁. Таким образом, измеряя текущее значение Q₂ через величину сигнала с ЗЧПУ можно отследить изменение емкости C₁.

На Фиг. 3 приведена конкретная электрическая схема, поясняющая методику измерения, на которой изображено подключение генератора импульсов, электродов, ЗЧПУ и цифрового осциллографа. С генератора электрических импульсов подается сигнал на электрод 3 с частотой 1 кГц, амплитудой 5мВ и длительностью 100 мкс, а к электроду 2 подключен ЗЧПУ. ЗЧПУ подключен к цифровому осциллографу для измерения сигнала. Процесс измерения поясняется на временной диаграмме, представленной на Фиг. 4. Синхронизация осциллографа осуществляется от генератора (Фиг. 4а). Сигнал от генератора показан на Фиг. 4б, а сигнал с выхода ЗЧПУ на Фиг. 4с. По мере заполнения промежутка между 2 и 3 величина сигнала (его площадь) будет увеличиваться пропорционально емкости С₁. Для того, чтобы корректно измерить площадь сигнала, нужно вычесть из абсолютного значения площади сигнала (P₁) абсолютное значение площади в таком же временном интервале для нулевой линии (P₂, в отсутствие сигнала с ЗЧПУ).

Процесс измерения с помощью цифрового осциллографа производится следующим образом. Сигнал с выхода ЗЧПУ усредняется по 10000 треков. Затем на усредненном сигнале измеряются величины площади P₁ и P₂ и получается их разность. По отдельному лучу осциллографа эта разность выводится в виде “тренда”. Заданный уровень жидкости определяется по изменению величины (P₁ – P₂). Расчетное значение изменения (P₁ – P₂) определяется исходя из того, что полную емкость между электродами можно представить как последовательное соединение двух конденсаторов, в одном из которых присутствует жидкий диэлектрик (С_ж), а другой заполнен газом с малой диэлектрической проницаемостью, близкой к единице (С_г). Текущее значение С₁´ определяется по формуле для последовательного соединения конденсаторов C_ж и C_г:

(4)

Емкости C_ж и C_г выражаются через начальное значение С₁ и соотношение между толщинами жидкости и газа с учетом величины диэлектрической проницаемости (см. формулу 1).

Таким процесс заполнения рабочего объема детектора останавливается по достижении расчетного изменения начального значения емкости С₁.

Изобретение относится к области ядерной физики. Способ определения уровня поверхности жидкого благородного газа в двухфазном эмиссионном детекторе включает в себя определение уровня жидкого аргона/ксенона в двухфазном эмиссионном детекторе с помощью измерения относительного изменения емкости непосредственно между рабочими электродами детектора с помощью зарядо-чувствительного предусилителя путем измерения величины опорного сигнала, подаваемого через эти электроды, в зависимости от уровня заполнения детектора жидкостью. Техническим результатом является увеличение точности измерения уровня. 4 ил.

Способ определения уровня поверхности жидкого благородного газа в двухфазном эмиссионном детекторе, заключающийся в измерении в процессе заполнения детектора электрической емкости между двумя электродами, расположенными внутри двухфазного эмиссионного детектора и контактирующими как с жидкой, так и газообразной фазами благородного газа, отличающийся тем, что в качестве электродов используются рабочие электроды двухфазного эмиссионного детектора, а измеряется относительное изменение емкости между ними с помощью зарядо-чувствительного предусилителя по величине опорного сигнала, подаваемого через эти электроды, которое пересчитывается в значение уровня жидкости.