Шаровой счетчик для селективной регистрации глобальной интенсивности частиц высокой энергии Советский патент 1960 года по МПК G01T1/22 G01T1/20 G01T3/06 

Предлагается шаровой счетчик (ШС) для селективной регистрации глобальной интенсивности проникающей радиации и частиц высокой энергии. ШС позволяет работать в условиях фона малоэнергичных частиц и может быть использован, например, при изучении первиг ного космического излучения на высотах более 1000 км, при исследовании радиации вблизи эпицентра взрыва атомного устройства, в активной зоне реактора и т. п. В ШС используются эффект Черенкова и способность некоторых кристаллов светиться под действием радиации, т. е. сцинтиллировать.

Применение черенковского и сцинтилляционного счетчиков, регистрирующих отдельные компоненты излучения, требует управляющей системы € поглотителями, фильтрующими это излучение для выделения искомой компоненты. Управляющее устройство, выполняемое обычно в виде «телескопа из счетчиков Гейгера, в случае наличия сильного фона из малоэнергичных частиц работает очень ненадежно, так как его разрешающее время определяется скоростью работы счетчиков Гейгера. Экранирование счетчиков увеличивает количество вещества перед детектором и искажает результаты измерений. При селективной регистрации излучения установками любого типа необходимо, чтобы пути (/) частиц через детектор были в известной мере одинаковы, т. е. -,- -С 1- Эго

налагает ограничения на величину «телесного угла, перекрываемого установкой, в которой регистрируются частицы, а при ограниченных ее размерах на величину «геометрического фактора (Г) в случае изотропкого излучения, кроме всего прочего, необходимо применять специальные меры против «обратных частиц, идущих в том же «телесном угле. «Геометрическим фактором установки (Г) называется некоторая постоянная величина, определяемая геометрией установки, при умножении которой на поток частиц, падающих на единицу поверхности в единице

Д/

№ 12584,2

телесного угла за единицу времени, получаем количество частиц, регистрируемых установкой в единицу времени.

Описываемый счетчик изображен на фиг. 1 и 2. Он представляет собой систему, дающую возможность объединить детектор Черенкова, сцинтилляционный счетчик и поглотитель (замедлитель), причем во время работы счетчика сочетание импульсов на выходах электронных фотоумножителей (ФЭУ) такова, что позволяет отобрать импульсы от XX ,

стиц, для которых --,- с 1 с задаваемой при конструировании точностью.

Шаровой счетчик (Я/С-/) выполнен в виде шара / из прозрачного материала, покрытого отражающим слоем (А1, Ag, MgO и т. д.). Шар является детектором Черенкова. В центре шара помещается сцинтиллятор 2, сочлененный со светопроводом С. Форма сцинтиллятора произвольная; светопровод необязателен в случае, если имеется тонкий торцовый фотоумножитель, так как это сделано в реальной конструкции (фиг. 2). Для сцинтиллятора и светопровода в черенковском детекторе имеется полость, также покрытая отражающим веществом. Сцинтеллятор и светопровод оптически отделены от черенковского детектора. Для сбора света детектор Черенкова имеет «окно (поверхность «окна фрезеруется и шлифуется), имеющее оптический контакт с фотокатодом умножителя 3 (ФЭУ }). ФЭУ 1 регистрирует только вспышки излучения Черенкова. Для лучшего разрешения света по интенсивности наиболее целесообразно применять спектроскопические фотоумножители. Предпочтение следует отдавать фотоумножителям с большим фотокатодом.

Второй фотоумножитель 4 (ФЭУ 2) имеет оптический контакт со светопроводом или непосредственно со сдинтиллятором и регистрирует вспышки света только от сцинтиллятора.

Благодаря такой конструкции прохождение частиц через центр шара вызовет вспышки света раздельно в черенковском детекторе и сцинтилляторе (центральный чувствительный элемент), которые зарегистрируются соответствуюшим ФЭУ. Импульс напряжения на выходе ФЭУ 1 пропорционален квадрату заряда частицы, вызвавшей радиацию Черенкова, а импульс на выходе ФЭУ 2 указывает на факт прохождения частицы через центральный чувствительный элемент, что обозначает прохождение частицы по -йути близкому к диаметру шара. Это справедливо в том случае, когда.эффективный радиус сцинтиллятора меньше радиуса

внешнего шара. Для обеспечения . -j- 0,05 необходимо, чтобы эффективный радиус сцинтиллятора составлял примерно Vs радиуса де ектора Черенкова.

ШС сочетает в себе преимущества черенковского и сцинтилляционного счетчиков, включенных на совпадение (антисовпадение), кроме того ШС Органически включает в себя поглотитель (замедлитель), обеспечивающий поглощение малоэнергичных частиц или замедление нейтронов, в зависимости от поставленной задачи. ШС имеет смысл применять вТОМ случае, когда исследуется глобальная интенсивность той или иной компоненты вьгсокоэнергичного излучения и особенно тогда, когда это излучение изотропно и со/тровождается интенсивным фоном малоэнергичных частиц.

При исйользовании в приборе двух существенно различных явлений для регистрации частиц счетчик приобретает новое качество, так как эффект Черенкова имеет место только для заряженных частиц, обладающих скоростью больше чем, где п - показатель преломления вещества черенковского детектора, ас - скорость света в вакууме, при включении Ф5У 2 на совпадении регистрируются только те частицы, которые

имеют скорость (энергию) выше пороговой, т, е. в той области, где количество фотонов на единицу пути, высвечивающееся в сцинтнлляторе, не зависит от энергии (слабый логарифмический рост) и пропорционально квадрату заряда частиц. Это может послужить основой при конструировании ШС, у которого спектры амплитуд импульсов на выходах ФЭУ1 и ФЭУ 2 отражает состав излучения в двух независимых спектрах импульсов по амплитудам.

ШС обладает достаточно .большим «геометрическим фактором, определяемым размерами центрального чувствительного элемента. При раздельном применении любого из счетчиков «геометрический фактор теряет свою определенность, и система измеряет только отношение различных компонент.

С другой стороны, данные, получаемые при раздельном применении любого из счетчиков и ШС получаются автоматически.

ШС срабатывает только в том случае, когда энергия частицы достаточна для прохождения некоторого количества вещества, определяемого размерами шара (ШС изготовлен из двух пластических сцинтилляторов ШС-2) или при условии, что энергия частицы достаточна для возникновения эффекта Черенкова (ШС-1 изготовлен из черенковского детектора и сцинтиллятора).

С помощью ШС возможно исследовать состав излучения (по зарядам), регистрировать ядра одного и того же заряда в различных энергетических интервалах, регистрировать быстрые и медленные нейтроны и 7-кванты, измерять обшее энерговыделение в различных энергетических интервалах.

Связывая зависимости - интенсивность излучения Черенков, про бег частиц в веществе детектора, интенсивность вспышки в кристалле сцинтиллятора, как функции энергии, а также привлекая данные о поглощении света в веществе детектора и о коэффициенте отражения различных покрытий, комбинируя размеры и материалы - возможно сконструировать ШС с заданными параметрами.

Учитывая высокую разрешающую способность ШС, которая, по-видимому, определяется качеством ФЭУ, временем высвечивания в сцинтилляторе и зависит от регистрирующей аппаратуры, а также порога эффекта Черенкова и толщины детектора, можно показать, что количество случайных совпадений от малоэнергичных частиц фона много меньще, чем в известных устройствах со счетчиками Гейгера.

Для регистрации быстрых нейтронов черенковский детектор ШС может быть изготовлен из хорошего замедляющего вещества типа плексигласа, воды, тяжелой воды и т. д., а центральный чувствительный элемент из сцинтиллятора насыщенного Li, при этом регистрирующая аппаратура должна выбирать случаи появления импульса света в сцинтилляторе, при условии отсутствия такового в черенковском детекторе. Расчет черенковского детектора для счетчика такого типа аналогичен расчету системы защиты и замедления сферического атомного реактора.

Для регистрации энергичных f-квантов схема регистрации аналогична, но сцинтиллятор окружается конвертором из тяжелого вещества.

Таким образом, ШС может быть выполнен: в виде черенковского детектора с центральным чувствительным элементом; в виде двух сцинтилляторов, например, на основе полистирола; в виде двух полущарий из разного вещества с центральным чувствительным элементом; в виде двух шаровых слоев: черенковского детектора, измерительного сцинтиллятора и сцинтиллятора центрального чувствительного элемента. Такой вид счетчика позволяет получить два независимых спектра импульсов по амплитудам для последующего их сравнения, что в целом улучщает амплитудное разрещение прибора.

Могут быть осуществлены и другие варианты шаровых счетчиков.

- 3 -№ 125842

Предмет изобретения

Шаровой счетчик для селективной регистрации глобальной интенсивности частиц высокой энергии, отличающийся тем, что, с целью уменьшения разрешающего времени, увеличения светосилы, надежности и упрощения конструкции, в нем сочленены сцинтиллятор и черенковский детектор, выполненный в виде шара из прозрачного материала, покрытого отражающим слоем (алюминий, серебро, окись магния и т. п.), имеющий полость в центре для размещения сцинтиллятора со светопроводом, соединенным с фотоумножителем, оптически отделенных от черенковского детектора, имеющего окно ко второму фотоумножителю, а выходы обоих фотоумножителей соединены со схемой совпадения, управляющей анализирующей аппаратурой, или со схемой сравнения двух распределений импульсов по амплитудам.

JTTTM

ШШ