Способ детектирования заряженных частиц Советский патент 1986 года по МПК G01T1/16 

Изобретение относится к области технической физики, к способам регистрации ядерных и космических излучений и детекторам заряженных час тиц, используемым в смешанных потоках излучений. Известны многочисленные способы детектирования заряженных частиц и устройства для их реализации, использующие различные физические эффекты взаимодействия заряженных час тиц с веществом. В случае необходи-мости предварительной (Репарации ком псУнентов пучков заряженных частиц в смешанньгх: потоках эффективно исполь зовать способ разделения тяжелых заряженных частиц и быстрых электро нов в магнитных или электрических полях в устройствах типа спектромет ров или анализаторов частиц. В тако способе используется эффект отклонения разноименно заряженных частиц в противопложные стороны при влете в поперечное внешнее поле. На выход из внешнего поля электроны и положи тельно заряженные частицы регистрируются соответственно различными счетчиками частиц. Недостатками так го способа регистрации заряженных частиц являются большие габариты соответствующих устройств, больщой вес таких спектрометров и громоздкость схем и устройств их питания. Во многих случаях, особенно в способах регистрации космических излучений,, реализуемых на искусственных спутниках Земли, эти недостатки существенно ограничивают использовани способов детектирования заряженных частиц на основе сепарации их пучков в магнитных или электрических устройствах. Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ детектирования электронов в присутствии фона тяжелых заряженных частиц путем регистрации обратно рассеянного излучения, заключаюп ;ийся в том, что коллимированньй пучок частиц направляют на рассеиватель под углом и после обратно го рассеивания регистрируют частицы счетчиком, При обратном рассеянии электроны эффективно отражаются от слоя вещества с большим атомным номером 2 а тяжелые частицы вследствие значительно меньшей эффективности обрат042ного рассеяния не рассеиваются и поэтому не регистрируются счетчиком, С целью увеличения угловой апертуры счетчик располагают на расстоянии порядка длины рассеивателя, облучаемого электронами из полупространства. При реализации данного способа счетчик располагают над центром круглого рассеивателя, в качестве которого может быть использовано любое вещество с больщим атомным номером 2 . С увеличением повышается эффективность детектора, и диаграмма угловой чувствительности ста- новится более ровной. Толщина рассеивателя должна быть не менее длины пробега наиболее энергичных электронов, которые должны быть зарегистрированы. Выбором толщины рассеива- теля можно осуществить дискриминацию электронов больших эйергий, если регистрация их нежелательна. В качестве счетчика может быть использован любой детектор, регистрирующий электроны в заданном диапазоне энергий, например торцовый газоразрядный счетчик. В таком способе решается задача |детектирования одного сорта заряженных частиц на фоне частиц другого сорта заряженных частиц на фоне частиц другого сорта с использованием эффекта обратного рассеяния. Используя особенности рассеяния частиц на аморфной мишени удается эффективно зарегистрировать электроны на фоне тяжелых частиц. Решить обратную задачу, т.е. выделить компоненту тяжелых заряженных частиц на фоне быстрых электронов при сравнительно равных величинах интенсивности потоков частиц двух указанных сортов в данном способе можно пытаться путем уменьшения толщин рассеивателя до толщин много меньше длин пробега электронов. Поскольку пробеги тяжелых заряженных частиц гораздо меньше пробегов быстрых электронов, то число отраженньЕх тяжелых частиц от тонкой фольги существенно не уменьшится, а быстрые электроны будут пролетать через фольгу без рассеяния. Однако и в этом случае эффективность регистрации тяжелых заряженных частиц может быть повышена, но будет сравнимой с эффективностью регистра1ДИИ быстрых электронов, т.е. детектировать тяжелые частицы в присут,ст3ВИИ фона электронов не представляется возможным. Целью изобретения является увели чение эффективности регистрации ком понента тяжелых частиц в присутстви фона быстрых электронов. Цель достигается тем, что по спо собу детектирования заряженных частиц путем регистрации обратнорассея ного излучения, заключающемуся в том, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель под углом и после обратного рассеяния регистрируют частицы счетчиком, в качестве рассеивателя используют кристаллическую фольгу толщиной мно го меньше пробега электронов, колли мированный пучок частиц направляют под углом к ее поверхности меньше критического угла плоскостного кана лирования для тяжелых частиц, а счетчик частиц устанавливают под углом рассеяния, равным углу падения пучка частиц. При падении положительно заряжен ных частиц на кристаттическую фольгу под углом V р где у - крити ческий угол плоскостного каналирования, вдали от главных кристаллографических осей частицы испытьшают зеркальное отражение в потенциале кристаллрграфической плоскости на поверхности фольги. При этом происходит практически 100%-ное отражение частиц, которые рассеиваются . под углом, равным углу падения частиц.Из физических принципов взаимодействия быстрых электронов с потен циалом атомной плоскости следует, что потенциал плоскости для них не является отражательным. Отрицательно заряженные электроны испытывают эффект притяжения положительным зарядом атомной плоскости и взаимодействуют с рассеивателем как с аморфной мишенью. Поскольку толщина фольги - рассеивателя много меньше пробега, электронов, то выход обрат ного рассеяния для них минимален и не превьш1ает долей процента от величины падающено пучка по сравнению со 100%-ным отражением пучка тяжелых заряженных частиц. Эффективность детектирования заряженных час тиц будет оптимальной, если использовать счетчик с апертурой, равной длине рассеивателя, так как пучок протонов отражается зеркально и без увеличения угловой расходимости. 04 При этом оптимально размещать счетчик на расстоянии примерно половины длины рассеивателя, что исключает перекрывание счетчиком падающего пучка. Нижний предел энергетического диапазона определяется порогом счетчика, верхний - точностью ориентации кристаллической пластины и составляет 10-12 МэВ. На фиг, 1 представлена геометрия измерений, на фиг, 2 - график углового распределения протонов. Геометрия реализации данного способа -выглядит следующим образом (см, фиг, 1), Пучок протонов с энергией Е 10 МэВ падает на поверхностную грань (100) кристалла нольфрама толщиной 100 А под углом&д 9с VP угол между плоскостью падения пучка и кристаллографическим направлением 100 поверхности грани, Конфигурация поверхностей отражения, грани (110) и (100) вольфрама, выбирались теми же, что.и в объеме кристалла. Энергетическими потерями протонов при отражении можно пренебречь вследствие их малости (длина пробега протонов вдоль поверхности кристалла до отражения «: Л/2, где Л - длина волны осцилляции частицы в плоскостном канале кристалла), Методом машинного моделирования траекторий рассеянных протонов было определено,что критический угол каналирования для протонов с энергией Е 10 МэВ составляет для (100) плоскости вольфрама V 2 мрад, а для (110) плоскости около 3 мрад. При вд : (fp все частицы падающего на кристалл пучка отражаются первым атомным слоем поверхности кристалла. Уа фиг, 2 представлено угловое i распределение протонов с энергией 10 МэВ, отраженных гранью (100) вольфрама, усредненное по азимутальному углу cf , для угла падения 9(,9с Число частиц в падающем пучке NO 1000, температура кристалла Т 293, ( 0,12 мрад, т.е. плоскость падения пучка далеко отстоит от плотноупакованных кристаллографических направлений поверхности. Как видно, практически все падающие частицы (площадь под приведенной кри- вой) отражаются почти зеркально от поверхности кристалла, т,е. угловое распределение является симметричным с центром вблизи угла падения, его

полуширина на полувысоте составляет примерно 461/2 0,016.

Для электронов с энергией Е 10МэВ коэффициент обратного рассеяния в случае их падения под углом 9, 2 мрад-на грань (100) вольфрама

fj

толщиной 200 А составляет не более 0,1% под углом 9 SQ , а угловая ширина отраженного пучка близка к диффузному распределению, т.е. U0i/,,2:0,5 рад.

Таким образом, из-за малого коэффициента обратного рассеяния электронов и резко направленного отражения пучка тяжелых частиц с близкой к 100% эффективностью возможно детектировать пучки быстрых тяжелых заряженных частиц на фоне электронного потока, что обеспечивает достижение положительного эффекта. Поскольку критический угол каналирования равен (tp (22eVEJ) , где 2е - заряд частицы; Е - ее энергия, J - параметр

кристалла, то, устанавливая некоторый угол ориентации, возможно добиться также некоторой сепарации частиц по энергии, так как- часть потока более медленных частиц не испытывает зеркального отражения. По сравнению с базовым объектом, в качестве которого выбирают способ наложения сепарирующих электрических

или магнитных полей, предлагаемый способ также позволяет достичь положительньш эффект. Этот эффект вьфажается в значительном снижении габаритов и веса устройства для реализадай предлагаемого способа. Если в базовом объекте для детектирования протонов с энергией 10 МэВ на фоне быстрых электронов необходимо использовать электромагниты весом до

200-300 кг и соответствующие схемы их питания, то вес устройства в настоящем способе детектирования не будет превышать 3-5 кг, включая устройства для ориентации мишени.

СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ путем регистрации обратно рассеянного.излучения, заключающийся в том, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель и после обратного рассеяния регистрируют частицы счетчиком, о т- личающийся тем, что, с целью увеличения эффективности регистрации компонента тяжелых частиц в присутствии фона быстрьк электро-, нов, в качестве рассеивателя используют кристаллическую фольгу толщиной много меньше пробега электронов, коллимированный пучок частиц направляют к ее поверхности под углом меньше критического угла плоскостного каналирования для тяжелых частиц, i а счетчик частиц устанавливают под углом рассеяния, равным углу йаде(Л ния .пучка. N9 Од

V 0

0,05

,S5 2,0 2,05 е(МраЗ) Фиг.2