Газовая смесь для электронных детекторов излучения Советский патент 1985 года по МПК G01T5/02 

Изобретение относится к экспериментальным методам ядерной физики И наиболее эффективно может быть использовано в экйпериментах с учас тием газонаполненных электронных дё тектрров излучений (ионизационных, пропорциональньтх дрейфовых) и стр мерных камер. Неотъемлемой частью любого физического эксперимента с участием детекторов излучений являются их пред варительные стендовые испытания отладка, калибровка, исследование пространственных и энергетических характеристик, а также периодически контроль работы детекторов непосред ственно во время эксперимента. Известно проведение прецизионной настройки и калибровки детекторов путем имитации в их объеме треков заряженных частиц излучением ла зера 1 . С этой целью используются лазеры на молекулярном азоте (Nj- л зер) , генерирзтенцие на длине волны нм (энергия кванта h-5 3,68 э Лазерная настройка и калибровка детекторов излучений основана на двухфотонной ионизации лазерным изл чением компонентов рабочей газовой, смеси. В результате реакции H+b-J-M вдоль лазерного луча образуется цепочка положительных ионов и электронов, имитирующая трек заряженной частицы. Линейная плотность электронов двухфотонной ионизации дается соотношени ем ne n F%d;t T--c l-exp(, где По - концентрация молекул йони зуемого компонента; F - интенсивность лазерного излучения; je сечение реакции M+trJ- M ; i - сечение реакции M+h-9- M ; С - время возбужденной молеку лы; Т - длительность лазерного им пульса; 5 - площадь сечения лазерного Так как обычно 2 { 10 с, а для Я2-лазера , то , , где 5. сечение двухфотонной ионизации. Для эффективной настройки и калибровки Детектора необходимо, чтобы Пд 7- 102 1/см, а S 1X1 ММ2 . Известны газовые смеси, используемые в электронных детекторах излучений и содержащие чистые благородные газы - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон - или их смеси, куда вводят стабилизирующие добавки, в качестве KoTopi-iK используют изобутан, углекислый газ, этан, метан, метилаль, этиловый спирт, фреон . Так как потенциал ионизации этих компонентов 1-(2-3)h-J, они обладают малой вероятностью двухфотонной ионизации и не могут быть применены при лазерной калибровке. { Для повыщения вероятности лазерной двухфотЬнной ионизации, . которая характеризуется величиной ftj,2. и уменьшения мощности лазерного излучения, в такие смеси добавляют небольшие количества сложных органических соединений, молекулы которых имеют потенциал ионизации , :2h 7,36 эВ. Однако, поскольку для разных молекул сечение двухфотонной ионизации колеблется от см . с до S: 1СГ , не любая газовая смесь, содержащая компонент с потенциалом ионизации 1: ,36 эВ, имеет большзпо вероятность двухфотонной ионизации и может быть использована для эффективной настройки и калибровки детектора. Наиболее близким техническим решением к изобретению является газовая смесь 31, имеющая высокую вероятность двзгхфотонной лазерной ионизации, содержащая благородные газы и стабилизирующие добавки при следующем соотношении компонентов, об.%: Благородный газ Гелий-50 Неон Остальное Стабилизирующая добавка .Изобутан j 4 Р-Нафтиламин 10. В этой смеси высокая вероятность лазерной двз фотонной ионизации обусловлена наличием -нафталамина. Но для обеспечения эффективной лазерной калибровки ( 1/см, мм ) необходима плотность мощности .3-10 Вт/см2 (см. чертеж, где представлена зависимость плотное-ти электронов двухфотонной 1(Юниэации от плотности мощности излучения Н2-лазера ( не). Излучение такой мощности вызывает нежелательный злектронньй фон вследствие прямой фотоионизадик.элементов конструкции детектора - электродов, стенок, вход ных окон и т.п. Кроме того,/3-нафтиламин является сильным-канцерогеном, что требует обеспечения безопасности обслуживанлдего персонала. Цель изобретения - уменьшение плотности мощности лазерного излучения при настройке и калибровке детекторов И -лазером. Поставленная цель достигается тем что исходная газовая смесь, содержащая благородные газы и стабилизирующие добавки,дополнительно содержи насьщ енные пары al-нафтиламина в коли честве 1,2-lo 5-2...%) . Достигаемый положительный эффект обусловлен высокой вероятностью лазерной двухфотонной ионизации смеси благодаря наличию в ней о(, -нафтиламина Так как 0 -нафтиламин представляет собой твердое органическое вещает во (Т„„де 50°С, т,,, , его концентрация в смеси соответствует давлению насьпценных паров и может быть вычислена из соотношения ,289-4f|-|, 273+Т где С - концентрацияci-нафтиламнна, об. %; Т - температура. Давление насыщенного пара является физической константой и не может быть изменено произвольным образом, концентрация А -нафтиламина в смеси практически имеет фиксированное значение, соответствующее нормальной рабочей температуре детектора. Указанные выше предельные концентрации с -нафтиламина соответствуют предельным значениям рабочей температуры детекторов (IO-ЗОс) Щ)и их эксплуатации. Так как эксплуатация детекторов излучений производится в закрытых помещениях с искусственным клима том - экспериментальные залы ускорителей, научные лаборатории и т.п., запредельные значения рабочей температуры детекторами могут быть приняты 10 и . Известно, что введение в благородный газ многоатомных молекул в ко центрации; 0,01 об. % не меняет его: электронных характеристик. Поскольку концентрацияod-нафтиламина не превышает 10 об. % рабочие характеристики исходной газовой смеси любого конкретного состава остаются при его введении неизменными, а повышается лишь вероятность лазерной фотоионизации. Таким образом,W -нафтиламин не нарушает нормальной работы детектора, но существенно увеличивает эффективность стендовых испытаний. В таблице представлены составы газовой смеси. Смеси 1-3 соответствуют нормальной рабочей температуре детектора . Смеси 4 и 5 содержат возможные граничные концентрациио -нафтиламина, для чего ампулу соС -нафтиламином поддерживали соответственно при и , которые выбраны в ка-честве предельных значений. Для получения смеси ампулу, содержащую об-нафтиламин, подкгаочают к газовой магистрали, соединякицей баллон с исходной смесью и детектор (стримерная камера). При пропускании исходной смеси через ампулу исходная смесь обогащается насыщенными парами о4-нафТ1щамина, так что в детектор попадает цредлагаемая смесь. Зависимость плотности электронов двзгхфотонной ионизации молекул сб-нафтиламина от плотности мощности излучения М -лазера представлена на чертеже, где цифрами обозначены кривые, полученные для соответствующих смесей. Как видно из графиков, вероятность двухфотонной ион,изации в смеси, содержащей ci-нафтиламин, П, S ( 2,5-1, 3) «tCT см-с, при оди 1аковой плотности мощности лазериого излучения в 350 раз больше, чем в смеси, содержачей -нафтиламнн (прототип). Приводинаковой плотности электронов требуемая для лазерной калибровки и настройки плотности лазерного излучения в предлагаемой смеси оказывается B 1,7-7 раз меньше, чем в смеси-проТртипе. В предлагаемой смеси для получения 1/см при мм требуется всего (4-16)10 Вт/см, что составляет от 1 до 4% максимальной мощности серийного отечественного N2-лазера ЛГИ-21 (4 кВт). Так как концентрация л-нафтиламина мала, другие характеристики предлагаемой смеси - коэффициент газового

усиления, скорость дрейфа, коэффициент диффузии электронов, не отличаются от характеристик исходной

1155971.

смеси. Кроме того, ot-нафтиламин в отличие от jb -нафтиламина не обладает канцерогенными свойствами.

ГАЗОВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащая благородные газы и стабилизирующие добавки, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения плотности мощности лазерного излучения при настройке и калибровке детекторов Н2-лазером, смесь дополнительно содержит насьщенные пары о -нафтиламина в количестве от 1, 2 « . %. (Л К

Стабилизирующая добавка Изобутан 5,2-10 рь -Нафтиламин 0,25 0,25 0,25 0,25 5,2-10 5,2-10 1, 2ЧО