Способ детектирования ионизирующего излучения Советский патент 1987 года по МПК G01T1/16 

Изобретение относится к физике и технике исследования ионизирующих излучений, в частности к способам регистрации пространственных характеристик излучения с помощью перегретых сверхпроводящих гранул.

Цель изобретения - повьшение эффективности регистрации ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей с реды.

Выбор температуры детектирующей среды Т,, величины рабочего магнитно- , го поля Н и суммарной объемной доли С гранул в детектирующей среде в со ответствии с приведенными соотношениями обеспечивает повышение эффективности, регистрации ионизирующего .излучения на единицу; объема детектирующей среды.

Каждая сверхпроводящая сферическая гранула в детектирующей среде, помещенной в постоянное магнитное поле Н, создает вокруг себя поле диполя, спадающее пропорционально кубу расстояния от ее центра. В результате этого каждая гранула в среде находится помимо -внешнего поля Н-в суммарном добавочном поле &Н от соседних сверхпроводящих гранул, причем

Н 2

(1)

где L - расстояние между центрами соседних гранул,

- глубина- проникновения слабого магнитного поля в сверхпроводник,

d - диаметр гранулы. При условии А /d : 1 эту добавку можно представить в следующем виде

С)

H.V - х

(ь - Ь

1 --6 -г

(L-I)

(2)

Вследствие хаотическо го распределения гранул в детектирующей среде, расстояния между некоторыми из ник будут меньше среднего значения,-определяемого объемной долей гранул в среде.. На таких гранулах-добавочное магнитное поле будет меньше и они будут переходить из сверхпроводящего

состояния в нормальное под действием ионизирующего излучения в первую очередь.

По мере перехода указанных гранул в нормальное состояние в процессе

облучения при фиксированном внешнем постоянном магнитном пале Н.добавочное поле лН на оставшихся в сверхпроводящем состоянии гранул уменьшается, что в свою очередь приводит-к до

полнительному уменьшению количества

гранул, способных перейти из перегретого сверхпроводящего состояния в нормальное при дальнейшем облучении и, следовательно к уменьшению эф- фективности детектирующей среды (так

называем1 й диамагнитный эффект) ..

Добавочное магнитное поле йН, как это следует из соотношений (1) и (2). является монотонно убывающей функци- ей расстояния L - между гранулами и глубины I проникновения, а следовательно, и температуры Т, поскольку

.30

К

41 - (т/тТТ

При выборе температ фы детектирующей среды намного ниже Т диамагнит, , ,,

ныи Эффект перестает существенно

зависеть от температуры и его отрицательное влияние, на эффективность детектирующей среды можно исключить только путем разбавления среды, т.е. увеличения L, что естественно ограничивает эффективность регистрации излучения детектирующей средой.

При выборе температуры детектирующей среды вблизи Tj вследствие резкой температурной зависимости i (Т) можно значительно уменьшить добавочное магнитное пале и тем самым существенно повысить эффективность детектирующей среды, как детектора. В этом случае можно дополнительно поднять

эффективность регистрации ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей среды путем увеличения объемной доли С гранул в детектирующей среде, т.е. уменьшения L, вплоть

ДО значения, соответствующего плотной упаковке гранул,

Вблизи Т имеется температурный интервал, в пределах которого сверхпроводящие характеристики гранул существенно зависят от отношения i/d. Так, начиная с некоторой температуры Тмин ° мере приближения к Т. мета- стабильность сверхпроводящего состояния становится менее выраженной и полностью исчезает при температуре ТдАокс J Р которой-фазовый переход первого рода в магнитном поле сменяется переходом второго рода В области температур Тм„и Т Т,, находится максимум эффективности детектирующей среды. Действительно, начиная с .температур Т энергетический барьер, препятствующий спонтанному переходу гранул в ста- бильную нормальную фазу начинает снижаться, что на первых порах- повышает вероятность перехода сверхпроводящих метастабильных гранул в нормальное состояние под действием излуче- ПИЯ, давая тем самым дополнительный вклад в рост эффективности детектирующей среды вблизи Т. При дальнейшем же повышении температуры энергетический барьер снижается настолько, что резко падает количество гранул остаюш;ихся в метастабильнЬй фазе к началу облучения,.что эквивалентно соответствующему снижению эффективности детектирующей среды при прибли- жении к температуре Tjv(ciKC

Значения Т,, и Т макс можно оценить с помощью теории Гинзбурга-Ландау. Действительно, при температурах Т ( сферические гранулы в детектирующей среде находятся в мета- стабильном сверхпроводящем состоянии, характеризуемом величиной критического магнитного поля перегрева

1

HS/T-) (Т)

где Н(Т) - термодинамически равно-, весное значение критического магнитного поля для макроскопического об- разда при температуре Т.

В области температур Ту«„ц Т Т критическое поле перегрева сферических гранул зависит от температуры по закону.

L 5

15 )

1 Т и

Т

Величину Т(,ц можно оценить из условия

-i

. 4

ТН.(т..„)-др- IS- н,.(т

откуда получаем

мин

1 - 1.5--Т

2.

d

Величину находим из условия исчезновения фазового перехода Т-го

рода

2 29

),

макс

откуда получаем 4

Т Т Макс с

1 -

jfO f52025 30

35- 40

45

0

5

Наличие оптимального значения рабочего магнитного поля Н(Т) с точки зрения эффективности детектирующей среды обусловлено наличием естественного максимума в распределении гранул по термодинамическим свойствам и размерам, вследствие чего на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное по маг- .нитному полю при имеется точка перегиба. Величину Н(Т) опредепяют для каждой температуры экспериментально .

На фиг. 1 изображена кривая зави- симости объемной доли С оловянных гранул, находящихся в сверхпроводящем состоянии, от величины приложенного постоянного магнитного поля при фиксированной температуре детектирующей среды, лежащей ниже Т .

I

На фиг. 2 изображены нормированные

на единицу объема детектирующей среды температурные зависимости сдвига частоты измерительного генератора, в контуре которого находится детектирующая среда, и количества п перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием рентгеновского излучения для ряда значений объемной доли гранул в детектирующей среде и при оптимальном значении приложенного магнитного поля Н(Т) при каждой температуре. Кривые соответствуют следую- щим значениям С:1 - 33%; 2 - 12,5%, 3 - 3,7%. Пунктирная кривая 4 соответствует значению С -10% (такому, как в прототипе).

51

Величина доли гранул, переходящих в нормальное состояние под воздействием излучения при каждом фиксированном значении Н пропорциональна производной верхней кривой, при этом значений поля имеет максимум при поле ., отвечающем точке перегиба, при указанной температуре.

Фиг. 1 иллюстрирует существенные точки перегиба Н на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное по магнитному полю без облучения. Значение рабочего поля определяется эксперимент§льно.

Из данных, представленных на фиг. 2, следует, что для любого значения объемной доли гранул С в детек .тирующей среде существует оптимальная температзфа детектирующей среды и эта температура находится вблизи Tj,:. в частности, для детектирующей среды с С 0,33 Т„„ 0,975 Тс, а для детектирующей среды с С 10%,

опт

0,950 TC. .

Пример 1. Охлаждают детекти- 25 рующую среду, состоящую из сверхпроводящих оловянных гранул диаметром d (6,8 ±1) мкм, хаотически распределенных в парафине с объемной долей С 10% до Т 1,7К.(параметры, при- 30 нятые в прототипе), лежащей, ниже температуры TC 3,722К сверхпроводящего перехода гранул, накладывают постоянное магнитное поле Н 280 Э, соответствующее точке перегиба Н на кри- 35 ЗОЙ перехода гранул в нормальное состояние при указанной температуре, пропускают через детектирующую среду, рентгеновское излучение с энергией Е 115 кэВ,- регистрируя при этом40

объемную долю С гранул, необратимо перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием излучения, по изменению частоты измерительного генера- 45 тора, в контуре-которого находится г детектирующая среда.

Пример 2. Охлаждают детектирующую среду, состоящую из сверхпро- , водяш:их оловянных гранул диаметром 50 d (6,8j:1) мкм, распределенных в парафине с объемной долей сверхпрот водника С 10%, принятой в прототипе, до температуры Т 0,950 Т, лежащей ниже температуры сверхпрово- 55 дящего перехода гранул в интервале

между. цг

Тм,„ Т,Д 1 - 14,5

накладывают постоянное магнитное поле Н 43,0 Э, соответствующее точке перегиба на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное при указанной температуре, пропускают через детектирующую среду рентгеновское излучение- с энергией Е 115 кэВ, регистрируя при этом объемную долю Cv гранул, необратимо перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием излучения, по изменению частоты измерительного генератора UF, в контуре которого находится детектирующая среда.

Пример 3. Охлаждают детекти рующую среду, состоящую из сверхпроводящих оловянных гранул диаметром d (6,8 +,) мкм, распределенных в парафине с объемной долей сверхпроводника С 33% до Т 0,975 Tg, лежащей ниже температуры сверхпроводящего перехода гранул в интервале между

4-1

Т,

1-14,5

%М

0,1015

cr- fo:i14J.6,8- ,;

MOIKC

т„ :г1Ду.т,

йО.998 TC,

накладывают постоянное магнитное поле Н 51 Э, соответствующее точке перегиба на кривой перехода гранул из сверхпроводящего состояния в нормальное при указанной температуре, пропускают через детектирующую -среду рентгеновское излучение с энергией Е 115 кэВ,-регистрируя при этом объемную долю Су гранул необратимо перешедших из метастабильного сверхпроводящего состояния в нормальное под воздействием излучения, по изменению частоты измерительного генератора UF, в контуре которого находится детектирунщая сила.

Результаты.экспериментальных исследований эффективности детектиру113039528

ющей среды по двум последним примерам шего под его воздействием в нормаль- конкретных реализаций способа праве- ное состояние, отличающий- дены на фиг. 2.с я- тем, что, с целью повышения эфИспользование предлагаемого спо-фективности регистрации ионизирующе-

соба повышает эффективность регистра-с го излучения на единицу объема детекции ионизирующего излучения на единицу объема детектирующей среды по сравнению с известным более чем на порядок.

Достигнутое повышение эффективное ти детектирующей среды на единицу объема создает возможность реализовать способ в годоскопических системах регистрации ионизирующего излучения, так как это повышение приво- дит к увеличению чувствительности годоскопических элементов, вьтолнен- ных из сверхпроводящих гранул. Б свою очередь, это позволяет уменьшит .размер отдельного элемента, что яв- ляется определяющим фактором для повышения разрешающей способности годоскопических систем.

Формула изобретения

1. Способ детектирования ионизирующего излучения, заключающийся в охлаждении детектирующей среды из сверхпроводящих гранул, распределен- ных в аморфном диэлектрике, ниже температуры сверхпроводящего перехода гранул, наложений постоянного магнитного поля и. увеличений его до значения, при котором часть гранул в де- тектирующей среде, оказьшается в сверхпроводящем метастабильном состоянии, пропускании через детектирующую среду исследуемого ионизирующего излучения и определении количества сверхпроводника, необратимо перешед- I

. тирующей среды, охлаждают детектирующую среду до температуры Т,лежащей в интервале, который задается соотношением

Т

где

1 с критическая температура сверхпроводника;

Дд - глубина проникновения слабого магнитного поля- в сверхпроводник при абсолютном ну/ле температуры;

d - диаметр гранул,

эе - параметр Гинзбурга-Ландау используемого сверхпроводника.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что увеличивают постоянное магнитное поле до значения, соответствующего точке перегиба на кривой зависимости объемной, доли гранул, находящихся в сверхпроводящем состоянии, от величины приложенного магнитного поля при фиксированной температуре детектирующей среды.

3.Способ по п. 1, отлича ю- щ и и с я тем, что объемную долю С гранул в детектирующей среде выбирают близким к максимально возможному

fr Г значению Сп,дх ТЧ .

Изобретение относится к методам детектирования ионизирующих излучений. Целью изобретения является повышение эффективности регистрации на единицу объема детектирующей среды. Цель достигается использованием детектирующей среды из сверхпроводящих гранул, причем среду охлаждают до температуры, лежащей в интервале, который задается соотношением Т,, к -Jl-l4, Т Т,. Ml-4,64VdV где Т - критическая температура сверхпроводника, Ар - глубина проникновения слабого магнитного поля в сверхпроводнике при абсолютном нуле температуры, d - диаметр гранул, Эе - параметр Гинзбурга-Ландау используемого сверхпроводника. На гранулы при этом накладьшается постоянное магнитное поле. Цри увеличении поля часть гранул переводится в сверхпроводящее метастабильное состояние. По мере перехода указанных гранул в нормальное состояние в процессе облучения при фиксированном внешнем постоянном магнитном поле добавочное поле на оставшихся в сверхпроводящем состоянии гранул уменьшается. Использовайие предложенного способа позволяет повысить эффективность регистрации- по сравнению с известным более чем на порядок. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. Q (О 00 00 со ел tsD

F/VfMfli л/-)

о.в0.60..50

0.2Ч1-Т

jr 1I I

ffS0.9to T{TC

Редактор A.Ренин

Составитель С.Кондратенко

Техред Л.Сердюкова Корректор Н,Король

Заказ 1305/46TJjipaK 731Подписное

ВНИИ1Ш Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

физ.2