Способ измерения спектров линейных передач энергии тяжелых заряженных частиц Советский патент 1988 года по МПК G01T5/10 

Изобретение относится к области ядерной физики и дозиметрии, в частности к проблеме регистрации тяжелых зараженных частиц диэлектрическими трековыми детекторами, и может найти применение для измерения спектров тяжелых ядер космического излучения либо от ускорителей. Измерение спектров линейных передач энергии (ЛПЭ) ионизирующего излучения, воздействующего на различны объекты, необходимо для количественной интерпретахщи наблюдаемых эффектов и нормирования условий работы с излучениями; Для измерения спектров ЛПЭ исполь зуются различные детекторы, чувствительность которых является однозначной функцией ЛПЭ. К ним относятся газовые пропорциональные счетчики, низкоэффективные счетчики Гейгера, ионизационные камеры, сцинтилляторы, трековые приборы. Трековые приборы ядерные фотоэмульсии очень удобны и широко применяются в условиях измерений, когда ограничены размеры, вес, энергопитание применяемых приборов, например, при проведении измерений в космосе. Однако ядерные фотоэмульсии имеют относительно узкий рабочий диапазонот десяти долей до нескольких десятков килоэлектронвольт. Использование набора фотоэмульсий с различными порогами регистрации позволяет получат спектры ЛПЭ менее трудоемким способо и в более широком интервале величин ЛПЭ,( однако и в этом случае, из-за отсутствия низкочувствительных фотоэмульсий, верхний предел измерений ЛПЭ не превосходит 100 кэВ/мкм. Вместе с тем диапазон значений кэВ/мкм су1цественен при анализе радиационного воздействия косми ческих лучей на космонавтов и в ряде других ситуаций. Известен способ измерения спектро линейных передач энергии (ЛПЭ) тяжелых заряженных частиц с помощью диэлектрических трековых детекторов, основанный на однозначной зависимости между значением,ЛПЭ частицы и раз мерами трека, образуемого частицей в месте пересечения поверхности де ектора при соответствующих условиях обработки детектора. Детектор экспонируют в потоке частиц (ТЗЧ) с неизвестными значениями ЛПЭ, при этом частицы, проходя через материал детектора, разрушают структуру вдоль своих траекторий, создавая области скрытых нарушений - латентные треки . В процессе обработки пленочных детекторов в специально подобранйых химических растворах (травление) вдоль этих областей на обеих поверхностях пленки появляются пустотелые конусы, направленные вдоль траекторий частиц навстречу друг другу треки, причем размеры конусов при заданном режиме обработки зависят главным образом от ЛПЭ частиц в местах взаимодействия с материалом детектора. На фиг.1 изображены детектор 1, треки 2,3. Измерив под микроскопом длину конуса L (трек 2) и зная, длительность травления, можно рассчитать среднюю скорость травления вдоль трека V.J. Поскольку между величинами V т и ЛПЭ частицы существует однозначная возрастающая зависимость, видКоторой определяется из калибровочных измерений длин конусов, это позволяет измерять спектры ЛПЭ. Однако указанный способ обеспечивает измерение значений ЛПЭ частиц лишь в довольно узком диапазоне. Наличие нижней границы измеряемого диапазона ЛПЭ пор. обусловлено пороговым характером регистрации ТЗЧ в диэлектрических трековых детекторах частиць; со значением пор. не производят в материале детектора радиационного нарушения, достаточного для последующей визуализации с.помощью травления, и в процессе просмотра под микроскопом не наблюдаются. Ограничение измеряемого диапазона ЛПЭ сверх ЛПЭ гр. объясняется тем, что при значениях линейных передач энергии вьш1е некоторых граничных ЛПЭ гр. в пленочном детекторе образуется сквозной трек 3 в виде слившихся конусов, что делает невозможным измерение длины каждого конуса в отдельности, а следовательно, вычисление значений гр. Определить длину каждого конуса в отдельности для такого сквозного.трека путем измерения дополнительных геометрических параметров (например, измеряя диаметр трека в наиболее узкой его части) также не представляется возможным, поскольку после слипания конусов в процессе дальнейшего травления форма 3. Трека 3 все более отличается от конической. Образования сквозных конусов можн было бы избежать путем уменьшения длительности травления либо посредством изменения условий травления. Однако в этом случае снижается точность измерения длин конусов, соответствукяцих частицам с малыми значениями ЛПЭ, значительная часть таких треков вообще остается невыявленной, что приводит к смещению вправо нижне границы диапазона ЛПЭ гр и, в конеч ном счете, к уменьшению диапазона измеряемых значений ЛПЭ. Существенно расширить диапазон ЛПЭ может одностороннее травление де текторов. В этом случае образование сквозных конусов в детекторе происходит при значительно больших значениях ЛПЭ (трек 3), что позволяет под: нять верхнюю границу диапазона ЛПЭ П. без снижения точности измерений и при постоянном значении нижней гра ницы диапазона ЛПЭ пор. Кроме того, при одиострроннем травлении детектора появляется возможность измерять значения ЛПЭ практически для всех сквозных треков. Для этого необходиvio одну из сторон детектора полность изолировать от воздействия растворатравителя например, с помощью плотно прилегающей самоклеющейся ленты-скот ча. В этбм случае равномерный доступ раствора-травителя во все участки сквозного трека обеспечивает формиро вание сквозных треков 4 в виде правильных усеченных конусов (фиг.2), Измеряя входные Д и выходные Д диа MeTjiu треков, можно вычислить их пол иую длииу L и по ней определить V и ЖЭ. Применение таких измерений в сочетании с односторонним травлени ем позволяет расширить диапазон изме ряемых значений ЛПЭ в 3-4 раза Известен способ, обеспечивающий одностороннее травлёщ1е детекторов, облученных тяжелыми ионами с известными значениями ЛПЭ при помощи калиброванного источника и применяемых в качестве микрофильтров. В травления одна из сторон детектора контактирует с веществом, способньм прекращать травление. Это вещество может быть по отношению к травителю ; нейтрализатором либо нейтральной средой. В процессе травления при образовании сквозного отверстия травитель 6 контактирует с нейтрализатором или нейтральной средой ив месте контакта травление прекращается. Использование такой улучшенной методики позволяет получать небольшие отверстия 5, однородные по размерам (фиг.З), т.е. значительно повысить качество микро- фильтров. Однако применение такого способа одностороннего травления при измерении спектров ЛПЭ не позволяет определять значение гр. для . сквозных треков, поскольку в этом случае они будут иметь форму, существенно отличающуюся от конической. Достоинство , применяемой при изготовлении микрофильтров (одинаковые по величине выходные отверстия треков), является недостатком при измерении треков с заранее неизвестньми значениями ЛПЭ, поскольку процесс травления в различных частях сквозного трека 6 идет неодинаково (фиг.З). Вблизи выходного отверстия травление приостановлено, концентрация травителя нулевая-, здесь процесс травления не идет. В верхней части трека концентрация травителя обычная, средняя для всего объема растдора здесь трек травится обычным образом. Травление промежуточных частей трека происходит неравномерно в зависимости от концентрации травителя, обусловленной, в свою очередь, взаимной диффузией растворов травителя и нейтрализатора. В результате образуются треки неправильной, воронкообразной формы. Вычислить для них длину трека и определить ЛПЭ не представляется возможным. Известны способы, обеспечиваклцие одностороннее травление детекторов, ) например, путем расположения детектора на поверхности раствора-травителя либо использования его в качестве днища или стенок ванны с раствором. Но все эти способы не могут обеспечить защиту от воздействия травителя противоположной стороны детектора при образовании сквозных треков. Так, при размещении пленочного детектора на поверхности травителя практически невозможно подобрать глубину погружения пленки, при которой треки протравливались бы до конца, но при этом ни капли раствора не попадало бы на противоположную поверхность. Наиболее близким к изобретению является способ измерения спектров ЛПЭ тяжелых зараженных частиц с помощью диэлектрических трековыхдетекторов, включающий экспонирование детекторов в потоках частиц с неизвестными значениями ЛПЭ, их одностороннее травление, поиск и измерение геометрических параметров треков частиц, расчет по измеренным длинам треков значений ЛПЭ в соответствии с известной калибровочной зависимостью. Основной недостаток этого способа - возможность измерения значений ЛПЭ только в довольно узком диапат зоне. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых значений .ЛПЭ в сторону больших значений .при сохранении заданной точности из мерений спектра и нижней границы измеряемого диапазона в области малых значений Ж1Э пор. Цель достигается тем, что в спосо бе измерения спектров ЛПЭ тяжельк за раженных частиц при помощи диэлектри ческих трековых детекторов, включающем экспонирование детекторов в дото ках частиц с неизвестными значениями ЛПЭ, их одностороннее травление, поиск и измерение геометрических пара,метров треков частиц, расчет по изме ренным длинам треков значений ЛПЭ в соответствии с известной калибровочной зависимостью, в процессе травления пленочных детекторов сторону, не подвергаемую травлению, защищают от воздействия раствора-травителя с помощью материала, не подверженного травлению и не допускающего проникно вения травителя на защищаемую сторон детектора, в том числе и через сквоз ные отверстия-треки, соответствующие частицам с большими значениями ЛПЭ, измеряют образовавшиеся в процессе травления сквознью треки в виде правильных усеченных конусов и по их геометрическим параметрам опред еляют . ЛПЭ в области больших значений. I , . - -В ка.честве материала, не подверженного травлению, может быть применена самоклеющаяся лента-скотч. После травления расчет полной длины каждог сквозного трека производится на осно ванииизмерений входного Д., и выходного Д, диаметров трека, имекдцего правильную коническую, форму. Способ заключается в следующем. Пленочные диэлектрические трековые детекторы, экспонированные в потоках ТЗЧ с неизвестными заранее значениями ЛПЭ (например в космических лучах) подвергаются одностороннему химическому травлению в условиях, оптимальных для обработки данного типа детектора. Перед травлением на одну из сторон каждого детектора плотно наклеивается специальный, скотч, основа и клеющий слой которого не подвержены разрушению в процессе травления. После травления непрозрачньй скотч удаляется и детекторы просматриваются под микроскопом в проходящем свете. В процессе просмотра для несквозных треков измеряются герметические, параметры входного отверстия и длина проекции видимой части конуса. Для сквозных конусов допрлнительно измеряются параметры выходного отверстия трека. После этого для всех треков вычисляется значение полной длины конуса L, по которой, на основании калибровочной зависимости, определяется значение ЛПЭ. Таким образом, применение предложенной методики обработки и просмотра детекторов позволяет построить спектр ЛПЭ практически по всем частицам, зарегистрированным в детекторе. П р и м е р. Диэлектрические тре- ковые детекторы из нитрата целлюлозы Kadak-Pathe СА 80-15 толщиной 100 мкм, полностью аналогичные применяемым в .способе-прототипе, экспонировались на орбитальной станции Салют-6 в потоках частиц с неизвестными знaчeния ш ЛПЭ. В ходе эксперимента Интеграл, одной из целей которого являлось определение спектров ЛПЭ тяжелых ядер внутри оболочки станции, детекторы в течение длительных промежутков находились в различных местах корабля. После полёта ло обеспечено их одностороннее травление при условиях, полностью аналогичных тем, которые изложены в прототипе (2,5 н. водный раствор ЫаОН; температура 40°Сi время травления 10 ч). Перед травлением одна из сторфн каждого детектора (не подвергаемая травлению) была заклеена самоклеющейся лентой Pressure Sensitive Таре Scotch, основа и клеющий слой которой не разрушаются при воздействии раствора-травителя. Просмотр

детекторов под микроскопом показал, что сквозные треки имеют форму правильных усеченных конусов. В ходе просмотра производились поиск и измерения геометрических параметров треков частиц, т.е, образ.овавшихся в процессе травления сквозных треков в виде правильных усеченных конусов: длины проекции видимой части трека, диаметров входного и выходного отверстий. .После просмотра для- каждого трека бьта вьгаислена его полная и по ней определено значение ЛПЭ в области больших значений, Калибровочные измерения и определение зависимости скорости травления вдоль трека от ЛПЭ были проведены на детекторах, облученных на ускорителе тяжельЬс заряженных частиц. Химическая

обработка калибровочных и исследовательских детекторов проводилась одновременно в идентичных условиях. При построении спектра ЛПЭ по результатам измерений выяснилось, что границы диапазона измеряемых значений ЛПЭ частиц существенно расширились в области больших значений, значения ЛПЭ зарегистрированных частиц лежали в пределах , кэВ/мкм 500 (в способе-прототипе , кэВ/мкм г200) .

Таким образом, применение предложенного способаизмерения спектров линейных передач энергии позволяет без ущерба для точности в несколько раз расширить диапазон измеряемых ЛПЭ в области больших значений по сравнению ср способом-прототипом.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕДАЧ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ при помощи диэлек рических трековых детекторов, включанлций экспонирование детекторов в потоках частиц с неизвестными значениями линейных передач энергии (ЛПЭ), их одностороннее травление, поиск и измерение геометрических параметров треков частиц, определение по измеренным длинам треков значений ЛПЭ в соответствии с известной калибро вечной зависимостью, о т л и ч а- ющ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых значений ЛПЭ в сторону больших значений при сохранении заданной точности измерений и нижней границы диапазона, стррОну, не подвергаемую травлению, защищают от воздействия растворатравителя с помощью материала, не подверженного травлению и не допускающего проникновения травйтеля на защищаемую сторону детектора, в том числе и через сквозные отверстиятреки, соответствунлр1е частицам с большими значениями ЛПЭ, измеряют образовавшиеся в процессе травления сквозные треки в виде правильных усеченных конусов и по их геометрическим параметрам определяют значения ЖЭ в области больших значений.

PdtmBtftf-mi SufnMb .

Heumi a/iu3ftjnsf