Устройство для определения углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии Советский патент 1985 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к устройствам для изучения многократного рассеяния частиц, преимущественно ускоренных на циклотронах или других ускорителях при прохояодении ими поглотителей различных толщин из различных материалов. Данные по многократному рассеянию заряженных частиц материала ми необходимыми при послойном анализе содержания вещества ядерно-физическими методами, при конструировании ядерно-физических установок, а также в целях развития теории ядерных столкновений.

Известно устройство для изучения многократного рассеяния протонов, в котором измеряется угловое распределение рассеянных частиц после прохождения образца, -расположенного в вакуумной камере, рассеянные частицы регистрируются с, помощью фотоэмульсий. Метод фотоэмульсий не является экспрессным, плохо поддается автоматизации. Поэтому в настоящее время почти во всех экспериментах используются полупроводниковые детекторы. В работе для исследования многократного рассеяния тяжелых ионов использовался позиционно-чувствительньй кремниевьй детектор, однако вследствие того, что он не перемещался, данные охватывают ограниченньй диапазон углов, т.е. не дают полноты измеряемой функции многократного рассеяния.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии их материалами, состоящее из камеры рассеяния с детектором заряженных частиц и коллиматором. ,

Угловое распределение многократного рассеяния измеряют регистрацией числа частиц, рассеянных исследуемым образцом под различными углами к первоначальному направлению пучка, с помощью позиционно-чувствительного детектора с многощелевой диафрагмой. Для получения полной картины распределения детектор перемещают с шагом 5 мм.

о

Однако существенными недостатками этого устройства являются:

1. Устройство не позволяет получить все угловое распределение одновременно с помощью одной установки

детектора, которое к тому же является не непрерывной, а дискретной функцией угла.

2. Использование сложного и дорогого йозиционно-чувствительного детектора вместо обычного поверхностно-барьерного или литий-дрейфового, что- требует, кроме того, точно калиброванных щелей, что является основ0 ным источником погрешностей измерений. Все эти недостатки объясняются тем, что, измеряют непосредственно число частиц, рассеянных исследуемым образом в каждом данном направлении.

5 Целью изобретения является .одновременное измерение углового распределения, упрощение процесса измерения, повышение точности, экспрессности путем регистрации энергетического

0 спектра упруго рассеянных частиц и его последующего пересчета в угловое распределение. .

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения

5 углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии их материалами, состоящем из камеры с детектором заряженных частиц и коллиматором, камера заполнена лег0 КИМ газом, а коллиматор направлен /под фиксированным углом на часть газового объема, расположенную за образцом, а в качестве легкого газа использован водород. При этом объем газа, видимый детектором, служит вторичным рассеивателем. Это позволяет вместо непосредственного измерения числа частиц, .вылетевших в различных направлениях из образца вследствие многократного рассеивания, измерять под фиксированным углом энергетический спектр их вторичного рассеяния на газовой мишени, которьй затем пересчитывают в иско, мое угловое распределе1ше. 5 ,

На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2 энергетические спектры упругого рассеяния протонов на водороде в отсут0 ствии образца; на фиг. 3 - то же, в присутствии образца; на фиг. 4 энергетические спектры упругого рассеяния дейтонов на водороде в отсутствии образца; на фиг. 5 - то же, в

5 присутствии образца.

Устройство дпя определения углового распределения заряженных частиц йри многократном рассеянии состоит из камеры 1 рассеяния, вход, которой отделен от вакуумной системы ускорителя железной фольгой 2 толщиной 20 мкм для ввода пучка частиц, устройства для смены образцов, состоящего из пары сельсинов: на оси одного 3, расположенного в камере, укреплен диск 4 с образцами 5, на оси другого, расположенного в измерительном помещении - ручка, вращением которой осуществляется . ввод и вывод образцов, коллиматора 6 рассеянных частиц и детектора 7. Образец находится в центре камеры рассе ния, а ось коллиматора, расположенного перед детектором, направлена под углом QQ в точку пересечения воображаемой плоскости 8 в части га зового объема, находящегося за образцом, с линией падающего пучка 9. Коллиматор изготовлен из дюралюмини евой трубки длиной 120 мм и диаметром 10 мм, на торцах которой приклеены щелевые диафрагмы из полированного никеля шириной 1 мм и высотой 5 мм, обеспечивающие собствен|ную угловую апертуру телескопа в „- о горизонтальной плоскости менее 0,5 В качестве детектора заряженных час тиц используется телескоп из двух кремниевых детекторов: пролетного, в котором частица с энергией Е теряет часть ее Е , и полного погло щения, в котором частица останавливается. Телескоп в.сочетании с соот ветствующей электронной аппаратурой служит спектрометром частиц, а также идентификатором их типа по извес ному методу Е-Е . Работа устройства иллюстрируется lero схемой, приведенной на фиг, 1 в случае изучения многократного рассея . ния протонов, ускоренных циклотроном до энергии 18 МэВ, при прохождении ими алюминиевой фольги толщиной 156 мг/см. Пучок 9. ускоренных протонов, сформиро&анньм в шнур диаметром 1,5 мм, вводится в камеру рассеяния, заполненную водородом до давления 0,5 ата, проходит через образец 5, представляющий из себя пластинку из исследуемого материала в которой пучок теряет часть своей энергии и приобретает угловую расходимость вследствие многократного рассеяния. Поскольку плоскость 8 отстоит от плоскости,в которой находится образец 5 на расстоянии, не позволяющем телескопу видеть образец через коллиматор 6, то предотвращается возможность регистрации актов рассеяния пучка на образце и телескоп измеряет энергию тех час- тиц, KOTopibie прошли через исследуемый образец, т.е. претерпели многократноерассеяние, а затем, рассеявшись на газе, попали в детектор. Телескоп определяет не только энергию, но и тип частицы, поэтому из всех возможных реакций выделяют упругое рассеяние на вторичной мишени. Коллиматор имеет угловую апертуру, поэтому угол рассеяния частиц, достигающих телескопа, будет определяться угловой расходимостью пучка вследствие многократногорассеяния. На схеме это показано двумя в6зможнь1ми отклонениями частиц после прохождения образца, которым соответствует разные углы рассеяния &, и 82 Поскольку энергия рассеянной частицы зависит от угла рассеяния и тем сшгьнее, чем легче рассеивающее ядро, то энергетический спектр упругого рассеяния F (Е) несет информацию об угловом распределении многократно рассеянных частиц N(y) , которое остается извлечь из измеренного спектра с помощью простых кинематических соотношений. Действительно, распределение частиц по энергиям связано с распределением частиц по углам соотношениемKE)dE i(,(8)(}e(1) причем н,((1й(01,(2) тогда искомое относительное угловое распределение многократного рассеяния K()tJ,(9l с;(ео1 1(.9о t(eol «(бГкДбо ICel FiE,ld(6)(3) где i(9) - производная функция энергии частицы по углу ее выпета (функция Е i (6) известна из кинематики) , определяемая выражением 2E6in9 (, где W(V) число частиц, рассеянных под углом V ; 5 N,(9) число- частиц, рассеян.ных в детектор под углом б ; С - коэффициент пропорциональн6с:ти, зависящий от тока пучка, числа ядер газа в объеме реакции и телесного угла детектор (5(6)- дифференциальное сечени упругого рассеяния част цы с массой ш. на ядре г за с массой та под углом 6 ; ЕЙ Е энергии частиц, рассеян ных соответственно под углами 9 и 9 Ё(ЕО)- значение в-максимуме энергетического спектра соото,етствующее 9о -в 0. Величина дифференциального (j(S) , как правило,- известна и, если даже точность ее абсолютного значения недостаточна, относител ное изменение сечения в пределах, опр.еделяемьк конусом многократного рассеяния, меняется мало и практически не влияет на точность измереНИИ. Выбор величины угла б(, , а так же газового рассеивателя в соответствии с вьфажением (4), которое определяет чувствительность метода, зависит от массы и энергии частиц, многократное рассеяние которых изучается; от этого же зависит и вы- бор толщин детекторов телескопа. В данном случае 0(, 30 , детекторы телескопа имеют толщины 70 и 1500 мкм. На водороде возможно толь ко упругое рассеяние, причем энергия рассеянных протонов Е Е„соб Э-&Е, - энергия пучка протрнов п сле прохождения образца; угол рассеяния протонов на водороде; (}6- небольшая поправка на то можение частиц в газе: 5(Е)- торможная способность дл протонов с энергией Е в водороде; 6 - расстояние от места реакции до телескопа (200 мм). На фиг. 2 приведены энергетические спектры упругого рассеяния протонов на водороде без образца, на фиг. 3-е образцом. По оси ординат

чески не зависит от угловой расходимости пучка, а определяется страгглингом энергетических потерь в об1 число отсчетов в канале многоканального амплитудного анализатора, по оси абсцисе - энергия рассеянной частицы, вертикальный размер экспериментальных точек определяет статистическую погрешность измерений. Кроме того, под осью абсцисс отложен угол многократного ассеяния -5 в градусах, полученный из (3) по соотношению 6о-0|ГСС06 Спектр, полученньй с образцом, по энергии сдвинут влево вследствие энергетических потерь в образце и уширен из-за многократного рассеяния. Его форма описывается выражением;Ф(Е)-А(Р( (7) где А - нормирующий множитель; F{E)- искомая функция, которая будучи извлечена из этого выражения (операция известна) и подставлена в (3) . даст угловое распределение многократного рассеяния. Экспоненциальный член- аппаратурная функция спектрометра, аппроксимированная функцией Гаусса с параметром 8 определяемым по полуширине аппаратурного пика (фиг. 2а) .Л 2,36 S. Для сравнения эксперимента с теорией определение Р(Е) из (7) можно исключить..Достаточно теоретическое распределение N(-)/No преобразовать в энергетический спектр F(E)/F(EO) помощью (3), а затем произвести свертку (7) и сравнить полученное распределение с экспериментальным. Сплошная линия в спектре на фиг. 3 является результатом расчета функции многократного рассеяния и последующего пересчета его в энергетическое распределение по формулам (3) и (7). Видно, что теория удовлетворительно описывает экспериментальные данные. Правый пик на фиг. 3 (увеличен в 10 раз) получен при добавлении малой примеси азота в водород. Поскольку это результат упругого рассеяния на сравнительно тяжелом ядре, то его ширина практиразце и возможной неравномерностью толщины фольги, а также собственным разрешением спектрометра. Сравнение с пиком на фиг. 2 свидетельствует о том, что определяющим является собственное разрешение спектрометра. Поэтому в выр51жении (7) использовалась величина 8, полученная лишь из ширины аппаратурного пика (см. фиг. 2). Аналогичньй результат был получен в случае изучения многократного рассеяния дейтонов с энергией 14,4 МэВ при прохождении ими алюминиевой фольги толщиной 78 мг/см, при 0Q . 189| Энергетические спектры (Упругого рассеяния дейтонов на водороде, полученные без образца и с образцом, приведены на фиг. 3, 4. Сш1о ная кривая на фиг. 3 является резуль . та;том теоретических расчетов и последующего преобразования по соотношениям (3) и (7). Таким образом, заявленное устройство имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом, который является базовым объектом: 1. Угловое распределение определяется одним измерением путем регистрации энергетического спектра под фиксированным углом, что упроЩает получение результата и повышает экспрессность измерений. Улучщается также точность измерений, поскольку в прототипе погрешность определяется неточностью измерения щелей, а в данном устройстве всег6 один коллиматор, размеры которого вообще не входят в расчет. 2. Для измерений используются более простые и дешевые детекторы, так как не требуется их позиционная чувствительность, 3, Измеряемое угловое распределение является непрерьшной, (а не дискретной) функцией угла,чтодает более полнум информацию обуглоовм распределении.

|j

.

-

WO

WQ ZOO

Фиг. г

Ю

П

I I I I 1

JL till

6 4. 2 О Z б Уго/f f zpofd.

121Ъ/ 15

16

Энергия 6 Мэ8

Фиг.З

300

ц 200 I

ЮО й 8000 |5Ш i то то

89 0

Энергия ff иэв

I I I I

2 О 146

Уго/г S 2рад. 9

12

11

Фи.5 10 4(9. If

1. yCTPOPlCTBO ДПЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПРИ МНОГОКРАТНОМ РАССЕЯНИИ их материалами, состоящее из камеры рассеяния с детектором заряженных частиц и коллиматором, отличающееся тем, что, с целью одновременного измерения углового распределения, упрощения процесса измерения, .цр.вышения точности, экспрессности, камера заполнена легким газом, a коллиматор направлен под фиксированным углом на часть газового объема, расположенную за образцом. 2. Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что в качест ве легкого газа использован водород.