Устройство для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов Советский патент 1983 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к технике ядерно-физических измерений и может найти применение в лабораториях имеющих дело с ускоренными пучками тяжелых ионов,

Мз известных устройств для измерения энергии ускоренных ионов наибольшей универсальностью и- прецизионностью обладают магнитные спектрометры и времяпролетные установки f .

Недостатки устройств - сложность крупногабаритность и высокая стоимость,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов, содержащее последовательно и соосно расположенные в канале транспортировки исследуемого пучка коллимируюаую диафрагму и рассоиватель в виде тонкой фольги, измерительный канал, в котором последовательно расположены калиброванньтй источник об -частиц и детектор тяжелых иоков, причем из мерительный канал после рассеивател сопряжен под углом с каналом транспортировки. Непосредственно с помощью таких устройств измеряют энергию рассеянных тяжелых ионов (ТП), которая однозначно связана с энерги ей исходного пучка 2 .

Недостаток известного устройства состоит в том, что его применимость ограничена областью ионов с массовы числами не ныне 10-15, При переходе к более тяжелым ускоренньти ионам существенно возрастает неопределенность результатов измерения, что делает устройство неэффективным либо вовсе непригодны для целей измерения энергии ТЙ, потому что для ионов с массовыми числами вьвие 15 существенной становится величина так называедюго амплитудного дефекта АД), связанного с отличием откликов полупроводникового детектора (ППД) к альфа-частицам и ТИ, АД определяется как разница между амплитудаки импульсов на выходе ППД,возникающих при регистрации альфа-частиц и ТИ одинаковой энергии. Абсолю ная величина АД южeт достигать 10 КэВ и более, а учет его без дополните ьных- измерений не всегда возможен, поскольку он зависит от конкретных свойств детектора и его состояния в момент измерений,

Цель изобретения - повышение точности определения энергии и расширение области применимости устройства,

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов, содержащем последовательно и соосно расположенные в кайале транспортировки исследуемого пучка коллимируюгцую диафрагму и рассеиватель в виде тонкой фольги, за которым расположен измерительный кэнап, в котором последовательно расположены калибровочной источник -частиц и детектор тяжелых ионов, причем измерительный канал сопряжен под углом с каналом транспортировки, в измерительном канале перед ct-источником установлена тонкая мишень из материала, эффективно делящегося при воздействии на него тепловыми нейтронами, причем мишень источника И -частиц и детектор окру-жены поглотителем, а кoлли rapyющaя диафрагма выполнена из материгша, атомный вес которого равен или выше атомного веса вещества исследуемых ионов,

Кроме того, мишень может быть выполнена из урана-235, а V- -источник в ви;ре слоя активного ot-вещества, нанесенного на одну подложку с мишенью.

На чертеже приведено схематическое изображение устройства.

Оно содержит коллимирующую диафрагму 1, рассеиватель 2 тяжелых ионов, полупроводниковый детектор 3, мишень 4 из делящегося вещества, замедлитель 5 нейтронов, изьюрительны канал б в теле замедлителя для прохождения ТИ к детектору, калибровочный источник 7 альфа-частиц,

КатерисШ для диафрагмы 1 выбран из таких соображений, чтобы угловое распределение нейтронов, которые образуются в результате ядерных реакций при бомбардировке мишени ускоренными ТИ, обеспечивало попадание значительной их части в замедли- . тель 5, Размеры замедлители 5 выбраны из расчета термализации нейтронов летящих из облучаемой ионами диафрагмы 1, Для ТИ с энергией 5 б МЭВ/а,е,м, средний радиус шарового заменителя 10 см, поскольку основная часть нейтронов имеет энергию 1-4 МэВ, При этих размерах заме дли тех я, угле регистрации ТИ 20 и расстоянии от рассеивателя до детектора около 30 см для материала диафрагмы подходят вещества с атомны№1 номерами, равными и большими таковых дл;я регистрируемых ТИ, В случае ионов Ti, Са, Fe удобно использовать диафрагму из тантала (А-181),

Мишень.должна быть выполнена из материала, испытывающего деление под дейстЕ1ием тепловых нейтронов с большим эффективным сечением этой реакции. Кроме того, реакция должна быть тщательно изучена эксперимен- . тально в отношении энергетического спектра осколков. Перечисленным условиям более всего удовлетворяет

2i6 U , He исключена возможность применения других деляпихся материа лов, например у 719ри , Толтина мишени не должна превышать нескольких десятков микрограмм на см с тем, чтобы спектр осколков не искажался за счет самопоглощения.

Калибровочный источник альфачастиц может быть совмещен с делящейся мишенью, т.е. может быть нанесен на одну с нею подложку, поскольку количество необходимого альфа-активного препарата незначительно и не вызывает искажения сдектра осколков.

Устройство работает следующим образом.

Пучок ТИ, распространяющийся в направлении ОХ , частично тормозится в материале диафрагмы 1, частично проходит через ее центральное отверстие. При этом ТИ, бомбардирующие периферическую область диафрагмы 1, взаимодействуя с ядрами вещества, из которого она выполнена, вызывают ядерные реакции, сопровождаюидаеся вылетом быстрых нейтронов. При правильигм выборе атомного номера вещества диафрагмл 1 угловое распределение нейтронов таково, что значительная их часть опускается в конусе с достаточно широким угловым раствором, так что они попадают в замедлитель 5 нейтронов, В замедлителе нейтроны, первоначально имеющие энергию отГМэВ и выше,замедляются до тепловых скоростей, В результате мишень 4 подвергается облучению потоком тепловых нейтронов которые вызывают в ней реакцию деления, Возникаю1цие при этом осколки деления детектируются в детекторе 3, Одновременно с этим часть пучка ТИ рассеивается на рассеивателе 2 и, проходя по каналу в теле замедлителя 5 нейтронов, регистрируется р детекторе 3, Таким образом полупроводниковый детектор 3 одновременно регистрирует осколки деления и рассеянные ионы, Спект осколка деления ряда материалов, в том числе 235 Uj весьма тщательно изучен экспериментально. Положение пиков в энергетическом спектре осколков 2 и известно с точностью

л, 0,5 МэВ, Средняя энергия группы ;тяжелых осколков Ej- 70,6 МэВ, |для легкой группы - Ед/100,4 МэВ, )Эти значения используются при определении энергии рассеянных ионов из результатов измерений, выполненных с помощью предлагаемого устройства. Соответствующая процедура, позволяющая учесть амплитудный дефект, изложен ниже.

Энергию рассеянных ТИ по резуль татам измерений, выполняо мых при

помоиш предлагаемого устройства, определяют следукчпим образом.

Сначала- опредедяют величину ЛД для каждой из двух групп осколков деления. При этом детектор ка либруют по альфа-линиям калибровочного источника. Затем находят величину АД для регистрируел-ых ионов,. Для перехода от ЛД осколков к ДД

О ионам используют известные эиширические формулы, позволяющие рассчитать величину АД без учета вклада потерь энергии в мертвом слое детектора,

5 г ,

A46w|(W + (l45.55W- °)/K, где W КЕ

6.(.80(.l)-, Е - энергия ТИ или.осколка 0 в мэв;

2 и А - порядковый номер и массовое число частиц; В - константа, В 14-15. .

Для 2 и А осколков берут наиболее вероятные значения этих величин, известные из эксперимента. Потери энергии по входном окне пропорциональны плотности удельных ионизационных потерь (otE /оСХ) для частиц в материале детектора (в основном Si)j так что полный АД можно представить в следуквдем виде:

АД, (ыЕ/оСХ.

35

Тогда

ft с («.Е/сСХ)ТИ

SO.UAW-U (ШЦО{,

ОА 1

ОА

UgfacyjTH

(iH - .R СЬ оПЧТИ 1.,Е/,)ОдИндексы ОД и ТИ в этих указывают на принадлежность величин

к осколкам деления или к тяжелым ионам соответственно. Значения («iE/ocx) осколков и ионов берут из таблиц, причем в первом приближении для энергии ТИ, от которой зависит величина (VE/ос У), берут ее

значение, определенное без учета поправок на АД. Истинное значение Ej, энергии регистрируемых (рассеянных) ионов .находят затем как сумму Е ист + АП-гм где Едет значение энергии ТИ, определенное по градуированному графику без учета поправок ча АД. Уточненное значение АД и искомой энергии ионов может быть получено методом последовательных приближений. Соответствующая итерациЬнная процедура очевидна и не требует пояснений.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять энергию тяжелых ионов с учетом поправок

5на AD , что делает устройство применимым для измерений энергии даже самых тяжелых ионов с энергией от 105809i6 150 МэВ и fiboje, когда изнАерения вёэ соответствуюпщх поправок лишены скисла.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ УСКОРЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ HOtiOBf содержащее последовательно и Соосно расположенные в канале транспортировки исследуемого пуч ка коллимирукх1 ую диафрагму и рас.сеиватель в виде тонкой фольги, за которым расположен измерительный канал, в котором последовательно расположены калибровочный ИСТОЧНИК ее. -частиц и детектор тяжелых ионов, причем измерительный канал сопряжен под углом с каналом транспортировки, отличающееся гем, что, с целью повььюния точн сти измерений и расширения области применимости, в измерительном канале перед источником сС -частиц установлена тонкая мииень из материала, эффективно делящегося при воздействии на него тепловыми нейтронами, при этом мишень источника А -частиц и детектор окружены поглотителем, а коллимируюыая диафрагма выполнена из материала, атомный вес которого равен или вьвие атомного веса вещества исследуемых ионов, (Л .2. Устройство по п, 1, о т л ичающееся тем, что мишень выполнена из урана-235, а источник ос -частиц - в виде слоя активС ного ОС -вещества, нанесенного на одну подложку с мишенью. СП СХ О :о 00