МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР Советский патент 1994 года по МПК H01J49/44 G01T5/12 

Изобретение относится к газоразрядным трековым детекторам элементарных частиц и атомных ядер и может быть использовано при создании больших магнитных спектрометров для исследования элементарных частиц и атомных ядер.

Известны магнитные спектрометры, содержащие анализирующий электромагнит, регистрирующую фотоаппаратуру и стримерную камеру, заключенную в экранирующий кожух и помещенную в зазор анализирующего магнита [1] .

Размеры стримерных камер этих спектрометров близки: зазор 2х20 см, ширина 100 см, длина 2000 см.

Для сокращения числа фоновых взаимодействий толщину стенок камеры стараются сделать как можно меньше. Их выполняют из материала малой плотности, например из пенопласта или пенополиуретана. Электроды такой камеры - это обычно симметричная полосковая линия сверхвысоких частот, причем высоковольтный импульс, питающий камеру, подают на средний электрод линии, который для исключения коронирования окантовывают тонкостенной металлической трубкой. Электроды и стенки камеры чаще всего соединены с помощью эпоксидного клея. Клеевой шов создает наиболее благоприятную форму с точки зрения устранения электрического поверхностного перекрытия по стенкам камеры. Для снижения уровня электромагнитных помех камеру помещают в экранирующий кожух, который заземляют. Фотографирование треков частиц в рабочем объеме камеры производят через шахту в ярме и полюсном наконечнике магнита. При этом световые лучи проходят через лавсановую пленку, герметизирующую рабочий объем, и сетчатые электроды.

Ввиду сравнительно невысокой прочности клеевых швов (на отрыв) и значительных нагрузок, возникающих на них даже при небольших перепадах давлений, давление внутри камеры поддерживают близким к атмосферному (постоянное слежение за атмосферой), что создает определенные неудобства в эксплуатации.

Кроме того, проток газа через камеру, требуемый для поддержания заданной степени его чистоты, приводит к постоянному избыточному давлению внутри объема камеры, которое постепенно разрушает клеевые швы, а наличие лавсановой пленки, сквозь которую ведется фотографирование, в обычных условиях слабой светимости стримеров весьма нежелательно.

Ближайшим к предлагаемому является магнитный спектрометр, включающий анализирующий магнит с герметизированной шахтой в ярме и одном из полюсных наконечников, фоторегистрирующую аппаратуру и стримерную камеру в экранирующем кожухе, герметично зажатую между полюсными наконечниками одностороннего действия [2] .

Детектирующие свойства стримерной камеры (точность локализации следов, их яркость, разрешающая способность, время памяти и др. ), обуславливающие точность ионизационных измерений, зависят от рода наполняющего газа или рабочей смеси газов, давления, а также постоянства качественного и количественного состава смеси. Расширение диапазона давлений рабочего газа улучшает детектирующие свойства и повышает эффективность спектрометра, а возможность предварительного вакуумирования объема сокращает расходы рабочего газа и время ввода камеры в рабочий режим.

Недостатком известных спектрометров является невозможность работы стримерной камеры под давлением рабочего газа, существенно отличающимся от атмосферного, и тем более невозможность вакуумирования ее объема. Повышение или уменьшение давления рабочего газа требует утолщения стенок камеры, что приводит к увеличению количества вещества на пути частиц и, значит, к увеличению количества фоновых взаимодействий.

Помимо этого, из-за негерметичности экранирующего кожуха в пространство между стенками камеры и кожухом трудно создать электрически более прочную атмосферу по сравнению с окружающим воздухом, что совершенно необходимо при работе с повышенным давлением в камере.

Невозможность предварительного вакуумирования рабочего объема камеры требует длительного времени продува ее рабочим газом (необходимо пропускать 5-10 объемов камеры, на что уходит около двух суток) для удаления воздуха, находящегося в рабочем объеме и сорбированного на стенках и электродах камеры. Это приводит к значительным потерям времени на подготовку спектрометра к работе и излишним расходам на приобретение газа или его последующую очистку.

Недостатком известных больших магнитных спектрометров со стримерной камерой является также нестабильность характеристик из-за колебаний давления газа в камере, связанных с колебаниями атмосферного давления (вынужденное слежение за атмосферой).

Целью изобретения является улучшение детектирующих свойств и повышение эффективности спектрометра путем расширения диапазона давлений рабочего газа в камере, сокращения расхода рабочего газа и ускорения ввода камеры в рабочий режим предварительным вакуумированием ее объема.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитном спектрометре, включающем анализирующий магнит с герметизированной шахтой в ярме и одном из полюсных наконечников, фоторегистрирующую аппаратуру и стримерную камеру в экранирующем кожухе, герметично зажатую между полюсными наконечниками с помощью силового элемента одностороннего действия, экранирующий кожух выполнен герметичным, содержащим вакуумно-прочные переднюю и заднюю крышки и упругий силовой каркас, включающий жесткие раму и плиту, соединенные между собой упругими преимущественно полуцилиндрической формы вакуумно-прочными боковыми крышками, и установлен в межполюсном зазоре так, что рама каркаса жестко и герметично прикреплена к полюсному наконечнику с шахтой, а плита каркаса герметично соединена по периметру с другим полюсным наконечником упругими преимущественно гофрированными стенками, образуя упругий силовой элемент двухстороннего действия с возможностью вакуумирования и подачи давления, причем плита каркаса частично или полностью выполнена из магнитного материала. Это дает возможность снять растягивающие и сжимающие нагрузки на стенки камеры и передать их через раму жестко, а через плиту упруго на силовую конструкцию анализирующего электромагнита. Для предохранения тонких стенок камеры от разрушения при вакуумировании или повышении давления в экранирующем кожухе создается такое же давление. При вакуумировании экранирующего кожуха и камеры для компенсации атмосферного давления используются усилия упругого силового элемента (его сжатие) и магнитные силы на полностью или частично выполненную из магнитного материала плиту. При повышении давления выше атмосферного используется усилие только упругого элемента (его расширение). Это дает возможность существенно уменьшить толщину стенок камеры, тем самым уменьшить количество фоновых взаимодействий, а следовательно, повысить эффективность спектрометра.

Для упрощения эксплуатации спектрометра плита и упругие стенки соединены жестко, преимущественно с помощью жесткой пластины, установленной между плитой и упругими стенками по всей площади плиты. Стенки соединены с пластиной герметично по ее периметру, а между пластиной и плитой установлена герметизирующая прокладка так, что площадь пластины, охватываемой упругими стенками.

Для облегчения герметизации объема камеры и кожуха в рабочих условиях при включенном электромагните рама каркаса выполнена из магнитного материала, а плита, пластина и крышки экранирующего кожуха - из немагнитного. Съемные элементы плиты каркаса выполнены из магнитного материала. При этом магнитные силы обеспечат необходимый прижим для герметизации стыка рамы каркаса с шахтой для фотографирования. Для создания дополнительных усилий, полностью компенсирующих атмосферное давление, при вакуумировании объема экранирующего кожуха и камеры немагнитная плита каркаса снабжена съемными элементами из магнитного материала, которые могут быть сняты после наполнения камеры рабочим газом, что уменьшит усилие упругого силового элемента при компенсации нагрузок в рабочих условиях.

Для упрощения эксплуатации спектрометра с рабочим давлением, близким к атмосферному, а также сохранения герметичности камеры при длительных перерывах в работе спектрометра камера зажата между рамой и плитой каркаса упругими боковыми крышками, упругость которых выбирается из условий герметизации камеры и обеспечения необходимого зазора для установки или удаления камеры при вакуумировании упругого силового элемента из следующих соотношений:
λ= ,
P_нат + Р_заз ≅ Р_у.э, где λ - суммарная упругость боковых крышек каркаса, см/Н;
h_нат - деформация прокладок, необходимая для герметизации рабочего объема, см;
h_заз - величина зазора между каркасом и камерой, необходимая для постановки или удаления камеры, см;
Р_нат - сила, необходимая для деформации боковых стенок на величину h_нат, Н;
Р_заз - сила, необходимая для деформации боковых стенок на величину h_заз, Н;
Р_у.э - максимальная сила, создаваемая упругим силовым элементом при его вакуумировании, Н.

Для упрощения эксплуатации камеры (если позволяют условия эксперимента) стенкам камеры придается форма, повышающая несущую способность, например овала, а в местах, где количество постороннего вещества может быть увеличено, стенки камеры утолщены и армированы стеклотекстолитовыми стержнями, связанными с усиленными краями электродов. Это дает возможность вакуумировать рабочий объем камеры без компенсирующего вакуума в экранирующем кожухе, в результате чего вакуумно-прочные передняя и задняя крышки могут быть выполнены из металлизированного лавсана, что уменьшает количество постороннего вещества на пути элементарных и атомных ядер.

На фиг. 1 и 2 схематично изображен магнитный спектрометр со стримерной камерой.

Магнитный спектрометр включает анализирующий магнит 1, стримерную камеру 2 и экранирующий кожух 3. Полюсные наконечники 4 и 5 анализирующего магнита жестко соединены с его балками 6 и 7, герметизирующие стенки шахты 8 со стеклом 9 и фоторегистрирующей аппаратурой 10 также жестко соединены с полюсным наконечником 4. Экранирующий кожух 3 включает раму 11 из магнитного материала, соединенную жестко и герметично, например, болтами с герметизирующей прокладкой с верхним полюсным наконечником 4, плиту 12 со съемными элементами 13 из магнитного материала, упругие, например, полуцилиндрической формы боковые крышки 14 и переднюю и заднюю крышки 15 и 16, которые в зависимости от условий эксперимента и режима работы спектрометра могут быть выполнены из немагнитного металла или металлизированного лавсана. Боковые крышки 14 соединены с рамой 11 и плитой 12 герметично, например, болтами с герметизирующей прокладкой, образуя упругий каркас. Упругость боковых крышек 14 и зазор между рамой 11 и плитой 12 выбирается с учетом условий обеспечения предварительного натяга герметизирующих прокладок 17 и 18 на заземленных электродах 19 и 20 и требуемого для постановки и удаления камеры из каркаса. К нижнему полюсному наконечнику 5 жестко и герметично прикреплены упругие, например, гофрированные стенки 21, которые совместно с пластиной 22 образуют упругий силовой элемент. Для соединения плиты 12 и пластины 22 на ней установлена прокладка 23 и трубопровод для вакуумной откачки. Стенки 24 стримерной камеры изготовлены из легкого, например, пеноэпоксидного материала и жестко соединены с усиленными стенками электродов, например, при помощи эпоксидного компаунда. В зависимости от условий эксперимента стенки 12 могут быть утолщены и армированы изоляционным материалом, например, стеклотекстолитовыми стержнями 25 в местах, где это допустимо по условиям конкретного эксперимента.

Для герметизации рабочего объема камеры, установленной в каркас экранирующего кожуха, необходимо подать избыточное давление в упругий силовой элемент, под действием которого плита 12 поднимается, деформируя упругие боковые крышки в пределах упругости, и прижмет герметизирующие прокладки 17 и 18. Для разгерметизации рабочего объема камеры достаточно снять давление в упругом силовом элементе, при этом плита 12 под действием сил упругости боковых крышек опустится вниз и создает зазор, достаточный для разгерметизации и постановки или удаления камеры из каркаса экранирующего кожуха.

При вакуумировании рабочего объема камеры для компенсации нагрузки на стенки камеры необходимо вакуумировать и экранирующий кожух. При этом для снятия нагрузок от атмосферного давления с плиты 12, а следовательно, излишних нагрузок, сжимающих стенки камеры, в упругом силовом элементе необходимо снижать давление так, чтобы разность между давлением в упругом силовом элементе и экранирующем кожухе всегда оставалась достаточной для герметизации рабочего объема камеры. Возможно производить вакуумирование рабочего объема камеры и экранирующего кожуха без герметизации рабочего объема камеры, при этом стенки камеры могут иметь минимальную толщину, достаточную только для того, чтобы выдержать усилие, необходимое для герметизации объема камеры. Плита 12, выполненная частично или полностью из магнитного материала, при включенном электромагните позволяет получить полную компенсацию нагрузок от внешнего атмосферного давления за счет магнитных сил, действующих на нее, путем регулирования тока в анализирующем электромагните. При подаче давления в экранирующий кожух и рабочий объем камеры компенсирующее давление в упругом силовом элементе должно превышать давление в экранирующем кожухе и рабочем объеме камеры на величину, достаточную для герметизации рабочего объема камеры и компенсации сил, действующих на плиту каркаса.

Если спектрометр снабжен жесткой пластиной, которая установлена между плитой и упругими (гофрированными) стенками, монтаж упругого силового элемента и каркаса экранирующего кожуха может производиться независимо друг от друга. При этом для обеспечения компенсации атмосферного давления при вакуумировании экранирующего кожуха между плитой 12 и пластиной 22 должна быть установлена герметизирующая прокладка 23, обеспечивающая возможность откачки этого дополнительного объема. Площадь, охватываемая этой прокладкой, должна быть больше площади, охватываемой упругими стенками для надежного обеспечения передачи усилий упругого силового элемента плите каркаса при вакуумировании. При этом работа всей конструкции при вакуумированиии, подаче давления, постановке и удалении корпуса стримерной камеры не изменяется.

Для упрощения герметизации стыка рамы каркаса с полюсным наконечником 4 рама выполнена из магнитного материала, в этом случае прижим герметизирующей прокладки может быть осуществлен за счет магнитных сил, действующих на раму при включенном электромагните без применения болтового соединения. Плита каркаса вместо магнитного или частично магнитного материала выполнена из немагнитного и снабжена съемными элементами из магнитного материала, которые используются для вакуумирования экранирующего кожуха для создания дополнительных компенсирующих усилий и снимаются во время работы спектрометра, что исключает необходимость создавать дополнительное давление в упругом силовом элементе и возможность разрушения стенок камеры при аварийном выключении электромагнита.

Чтобы не создавать избыточного давления в упругом силовом элементе во время перерывов в работе спектрометра (продолжительность которых может достигать нескольких месяцев), а также при работе с давлением рабочего газа, близким к атмосферному, камера установлена в упругом силовом каркасе с предварительным натягом так, чтобы величина натяга была достаточна для герметизации рабочего объема камеры. При этом упругость боковых крышек необходимо выбирать из условий герметизации и обеспечения достаточного зазора для постановки и удаления камеры при вакуумировании упругого силового элемента по формулам
λ= ,
P_нат + Р_заз ≅ Р_ч.o, где λ - суммарная упругость боковых крышек каркаса, см/Н;
h_нат - деформация герметизирующих прокладок, необходимая для герметизации рабочего объема камеры, см;
h_заз - величина зазора между каркасом и камерой, достаточная для постановки и удаления камеры из каркаса, см;
Р_нат - сила, необходимая для деформации боковых крышек каркаса на величину h_нат, Н;
Р_заз - сила, необходимая для деформации боковых крышек каркаса на величину h_заз, Н;
Р_ч.э - сила, создаваемая упругим силовым элементом при его вакуумировании, Н.

Для постановки и удаления камеры из каркаса экранирующего кожуха необходимо создать вакуум в упругом силовом элементе и объеме между плитой каркаса и пластиной упругого силового элемента ("присос"), под действием атмосферного давления на плиту она опустится, деформируя упругие боковые крышки каркаса в пределах упругости, и зазор между камерой и каркасом окажется достаточным для постановки или удаления камеры. Величину вакуума в упругом силовом элементе можно регулировать для получения необходимой деформации или ограничить ход сильфона. При снятии вакуума в упругом силовом элементе плита каркаса за счет сил упругости боковых крышек поднимется и обеспечит натяг, достаточный для герметизации рабочего объема камеры.

Создать необходимый зазор для постановки и удаления камеры из каркаса можно также, установив съемные элементы из магнитного материала и включив электромагнит. В этом случае деформация упругих боковых крышек произойдет за счет магнитных сил, действующих на съемные элементы.

Поскольку каркас экранирующего кожуха жестко связан с шахтой для фотографирования и упруго - с нижним полюсным наконечником, изменение расстояния от фоторегистраторов до плиты каркаса будет минимальным. Оно в основном будет определяться деформацией стенок камеры и по расчетам не превышает 0,015 см.

Если, исходя из условий эксперимента, стенки камеры в местах, где это возможно, могут быть утолщены и армированы для обеспечения вакуумной прочности, то вакуум в экранирующем кожухе для компенсации нагрузок на стенки камеры не требуется, в результате передняя и задняя крышки экранирующего кожуха могут быть выполнены из металлизированной лавсановой пленки.

Использование предлагаемого изобретения позволяет расширить диапазон рабочих давлений магнитного спектрометра и уменьшить количество постороннего вещества на пути ускоренных и вторичных частиц и атомных ядер, что дает возможность:
уменьшить число фоновых взаимодействий, что обеспечивает повышение точности измерений и эффективности использования времени работы на ускорителе;
повысить степень и стабильность локализации треков;
повысить точность ионизационных измерений.

Эти преимущества оказываются существенными при постановке и решении новых физических задач по ядерным, ядро-ядерным и адрон-ядерным взаимодействиям. Кроме того, оказывается возможным сократить время подготовки спектрометра к сеансу облучения на 3 суток и потери рабочего газа. (56) 1. F. Bulos, A. Odier, F. Villa and D. Jount. Streamer Chamber Development, SLAC-74, 1967.

2. Вишневский В. Ф. и др. Стримерная камера установки "Резонанс" и обслуживание ее системы. ПТЭ, 1973, N 5, с. 57.

1. МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР, включающий анализирующий магнит с герметизированной шахтой в ярме и одном из полюсных наконечников, фоторегистрирующую аппаратуру и стримерную камеру в экранирующем кожухе, герметично зажатую между полюсными наконечниками с помощью упругого силового элемента одностороннего действия, отличающийся тем, что, с целью улучшения детектирующих свойств и повышения эффективности спектрометра путем расширения диапазона давлений рабочего газа в камере, сокращения расхода рабочего газа и ускорения ввода камеры в рабочий режим предварительным вакуумированием ее объема, экранирующий кожух выполнен герметичным, содержащим вакуумно-прочные переднюю и заднюю крышки и упругий силовой каркас, включающий жесткие раму и плиту, соединенные между собой упругими преимущественно полуцилиндрической формы вакуумно-прочными боковыми крышками, и установлен в межполюсном зазоре так, что рама каркаса жестко и герметично прикреплена к полюсному наконечнику с шахтой, а плита каркаса герметично соединена по периметру с другим полюсным наконечником упругими преимущественно гофрированными стенками, образуя упругий силовой элемент двухстороннего действия, причем плита каркаса выполнена полностью или частично из магнитного материала. 2. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения его эксплуатации, плита и упругие стенки соединены жестко преимущественно с помощью жесткой пластины, установленной между плитой и упругими стенками по всей площади плиты, причем стенки соединены с пластиной герметично по ее периметру, а между пластиной и плитой установлена герметизирующая прокладка так, что площадь плиты и пластины, ограниченная прокладкой, больше площади пластины, охватываемой упругими стенками. 3. Спектрометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью упрощения герметизации объема камеры и кожуха в рабочих условиях при включенном электромагните, рама каркаса выполнена из магнитного материала, а плита, пластина и крышки кожуха - из немагнитного, причем съемные элементы плиты каркаса выполнены из магнитного материала. 4. Спектрометр по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что, с целью упрощения его эксплуатации с рабочим давлением, близким к атмосферному, а также сохранения герметичности камеры при длительных перерывах в работе спектрометра, камера зажата между рамой и плитой каркаса упругими боковыми крышками, упругость которых выбрана из условий герметизации камеры и обеспечения необходимого зазора для установки или удаления камеры при вакуумировании упругого силового элемента из следующих соотношений:
P_нат+ P_заз≅ P_у.э. ,
P_нат + P_заз ≅ Pу. э ,
где λ - суммарная упругость боковых крышек каркаса, см/Н;
h_нат - деформация прокладок, необходимая для герметизации рабочего объема, см;
h_заз - величина зазора между каркасом и камерой, необходимая для постановки или удаления камеры, см;
P_нат - сила, необходимая для деформации боковых стенок на величину h_нат, Н;
P_заз - сила, необходимая для деформации боковых стенок на величину h_заз, Н;
P_у.э - максимальная сила, создаваемая упругим силовым элементом при его вакуумировании, Н.