Устройство для регистрации следов заряженных частиц в стримерной камере Советский патент 1989 года по МПК G01T5/12 H01J47/14 

Изобретение относится к методике и технике физического эксперимента с применением стримерной камеры в качестве средства визуализации следов заряженных частиц и может быть использовано при проведении иаучно-ис31500

следовательских работ в области исследования процессов взаимодействия частиц и ядер с ядрами,

Цель изобретения - получение информации о следах частиц в газонаполненной оболочке путем локального регулирования яркости стримеров.

.На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - график интенсивности лазерного излучения в зависимости от расстояния от мишени; на фиг. 3 - схема зон облучения лазером газонаполненной оболочки с мишенью; на фиг. 4 - схема разделе- НИН потока лазерного излучения на группу подпотоков посредством отражательного растра.

На фиг. 1, фиг. 3 и фиг. 4 приняты следующие обозначения: 1 - газо- наполненный корпус стримерной камеры; 2 - верхний полюс электромагнита; 3 - нижний полюс электромагнита; 4 - электроды; 5 - генератор высоковольтных импульсов 6 - блок ввода имп пульсного электрического поля; 7 - .окно для фотографирования; 8 - фотограмметрическая камера; 9 - лентопротяжный механизм; 10 и 11 - детекторы; 12 - блок селективного запуска;

13- блок синхронизации и управления;

14- пучок частиц; 15 - мишень; 16 - импульсный лазер; 17 - блок фокусировки лазерного излучения; 18- фильтр- поглотитель лазерного излучения; 19 - окно для ввода потока лазерного излучения; 20 - блок перемещения потока лазерного излучения; 21 - блок синхронизации; 22 - газонаполненная оболочка; 23 - зоны облучения; 24 - еледы вторичных частиц; 25 - отрицательная линза.

Газонаполненный корпус 1 стримерной камеры расположен в зазоре полюсов 2 и 3 электромагнита, причем ее рабочий объем ограничен электродами 4, посредством которых создается электрическое поле, ориентированное по направлению вектора напряженной ти магнитного поля. Фотографирование производят через отверстие в полю- се 2 электромагнита. Пучок частиц 1.4 вводят в рабочий объем стримерной камеры перпендикулярно направлениям электрического и магнитного полей. На пути пучка частиц 14 устанавливают детекторы 10 и 11, сигналы с которых запускают генератор 5 высоковольтных импульсов. Состав газовой смеси в га

5 о

„

0

5

5

зонаполненной оболочке 22 отличается от состава газовой смеси в газонаполненном корпусе 1 стримерной камеры более высокой электрической прочностью, например, за счет добавки долей % СО.. В область, ограниченную газонаполненной оболочкой 22, выполненной из материала, прозрачного в диапазонах видимого и невидимого излучения, фокусируется поток лазерного излучения с длиной волны в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах в ту часть, которая расположена за мишенью 15 по направлению хода пуска частиц 14, при этом этот поток разделен на подготовки, которые в области фокусировки имеют форму полос, ориентированных поперек направлению пучка частиц и при этом интенсивность в подпотоках лазерного излучения возрастает по мере удаления от мишени 15, что обеспечивается фильтром-поглотителем 18 лазерного излучения переменной плотности.

Устройство работает следующим образом.

Регистрация следов заряженных частиц посредством предлагаемого устройства протекает в следующей последовательности операций.

Газонаполненный корпус 1 стримерной камеры облучается пучком частиц 14 импульсами с определенным циклом. Детекторы 10 и 11, установленные на пути пучка частиц 14, вьщают информацию о том, что в рабоч.ём объеме стример-. ной камеры произошло взаимодействие пучка частиц 14 с веществом мишени 15, подлежащее регистрации, в результате чего блок 12 селективного запуска выдает импульс запуска генератору 5 высоковольтных импульсов через посредство блока 13 синхронизации и управления. Одновременно блок 13 синхронизации и управления вьщает импульс .запуска на блок 21 синхронизации импульсного лазера 16. Генератор 5 высоковольтных импульсов посредством блока 6 ввода импульсного электрического поля создает импульсное электрическое поле высокой напряженности на электродах 4, в результате чего в рабочем объеме стримерной камеры на центрах ионизации, сформированных заряженными частицами в газовой смеси, происходят электрические разряды - стримеры, свечение которых через окно 7 для фотографирования формирует изображение следов 24 вторичных частиц в картинных плоскостях фотограмметрической камеры 8, т.е. на фотопленке лентопротяжного механизма 9. Яркость свечения стримеров зависит от многих факторов: от состава газовой смеси, напряженности электрического поля, длительности высоковольтного импульса, ионизирующей способности заряженной частицы и др. уЧркость свечения стримеров внутри газонаполненной оболочки 22 варьируется в зависимости от интенсивности лазерного излучения. В зонах, свободных от лазерного излучения, яркость стримеров недостаточна -для фоторегистрации вследствие более высокой электрической прочности газовой смеси, чем в газонаполненном корпусе 1 стримерной камеры. В зонах 23 облучения потоком лазерного излучения яркость свечения стримеров возрастает соответственно интенсивности лазерного излучения. Таким образом, варьированием интенсивности лазерного излучения и состава газовой смеси в газонаполненной оболочке 22 достигается возможность регулирования яркости стримеров внутри газонаполненной оболочки 22. Вблизи мишени 15, где из-за высокой концентрации следов 24 вторичных частиц велика плотность ионизации газовой смеси, интенсивность лазерного излучения должна быть минимальной, в противном случае может развиться сплошной разряд, который заэкранирует отдельные следы 24 вторичных частиц. По мере удаления от мшлени 15 происходит разрядка следова 24 вторичных частиц, падает плотность ионизации газовой смеси и интенсивность лазерного излучения можно повышать без опасения потерять информацию вследствие слияния следов 24 соседних вторичных частиц.

Подача энергии лазерного излучени в заданные зоны 23 облучения газонаполненной оболочки 22 с мишенью 15 обеспечивается через окно 19 для ввога потока лазерного излучения в газонаполненном корпусе 1 стримерной камеры из вещества, прозрачного для лазерного излучения. Блок 17 фокусировки лазерного излучения и фильтр поглотитель 18 лазерного излучения, разделяющие поток на группу подпото- ков, располагаются в«е газонаполнен

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ного корпус-а стримерной камеры, что обеспечивает существенные удобства в регулировке и настройке аппаратуры. Выбор длины волны излучения лазера в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне обусловлен необходимостью избежать непосредственно воздействия лазерного излучения на фотопленку, чувствительную в видимом диапазоне. Материал газонаполненной оболочки 22 1должен быть прозрачным как в видимом диапазоне для фоторегистрации следов частиц, так и в диапазоне длины волны излучения лазера для обеспечения возможности подачи энергии лазерного излучения для усиления яркости стримеров внутри газонаггалненной оболочки 22.

Применение отражательного растра со сферическими зеркалами в качестве блока 17 фокусировки лазерного излучения для реализации фокусировки и разделения потока лазерного излучения на группу подпотоков приводит к упрощению конструкции.

Выбор формы и размеров газонаполненной оболочки 22, числа и формы зон облучения потоком лазерного излучения области внутри газонаполненной оболочки 22, а также величины интервалов между зонами облучения, состава газовой смеси - все это определяется характером исследуемых процессов, главным образом множественностью вторичных частиц и параметрами стримерной камеры. Должны быть приняты во внимание также и следующие условия :

поток лазерного излучения не должен касаться боковых стенок газона- - полненной оболочки 22, чтобы не оказывать воздей ствия на режим образования стримеров вблизи этих стенокj

поток лазерного излучения должен быть сфокусирован внутри газонаполненной оболочки 22, чтобы не оказывать заметного влияния на режим образования стримеров вне ее.

Суть изобретения заключается в получении информации о следах частиц в газонаполненной оболочке 22, окружающей мишень 15 из твердого вещества, размещенной в газонаполненном ; корпусе 1 стримерной камеры и заполненной более электрически прочной газовой смесью, чем газонаполненный корпус 1 стримерной камеры, за счет локального регулирования яркости

7150

стримеров внутри этой газонаполненной оболочки 22 путем облучения зоны обо- лочки мишени группой фокусируемых в эту зону потоков лазерного излучения в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне.

В стримерной камере установки ГИБС Объединенного института ядерных исследований яркость стримеров, достаточная дл 5Г их фоторегистрации на аэрофотопленку типа 42, достигалась при подаче на электроды камеры, заполненной неоном при давлении л 760 мм рт.ст., высоковольтного импульса с амплитудой порядка 450 кВ и длительностью 12,5 НС, создававшего в камере напряженность электрического поля порядка. 15 кБ/см.

, Снижение напряженности электрического поля на 3% приводит к уменьшению яркости стримеров примерно вдвое. Примерно такого же эффекта можно достичь добавкой в газовую смесь долей

процента СО, что влечет увеличение электрической прочности газовой смеси.

Таким образом, двукратное снижение яркости стримеров достигается как незначительными добавками СО, так и уменьшением напряженно :ти электричес- кого поля на 3%, т.е. на 450 В/см для стримерной камеры установки ГИБС. Следовательно, для восстановления яркости стримеров до необходимой величины необходимо компенсировать снижение напряженности электрического поля в области мишени 15 путем подачи в эту область лазерного излучения.

Для оценки требований к импульсному лазеру, вытекаюш,их из поставленной цели - компенсировать дефицит в напряженности электрического поля в 450 В/см, удобно воспользоваться связью между эффективным постоянным по

лем ЕI, и среднеквадратичной ной электрического поля дается соотношением

л

, (1)

где Ы - угловая частота излучения; - среднее время столкновения

электрона с атомом. Для излучения СО -лазера с длиной волны 10,6 мкм при давлениях порядка

10 . Таким

50

1 атм

wl

будет порядка

Длительность лазе выбирают больше прод импульса постоянного поля для того, чтобы ностей синхронизации

В области мишени ного электрического стримеры со слабой, фоторегистрации ярко а увеличение яркости до необходимой для ф величины достигается

образом, в данных условиях п лазерного излучения,

0

957

8

Параметры импульсного лазера 16, необходимого для создания указанной напряженности лазерного поля, определяют по формуле

Р 5КуЗ-2 .10,

где Р - мощность лазера;

S - интенсивность света; RO - радиус пятна фокусировки

света, при этом

S E2/361.

Л

Для определения размера облучаемой . лазером площади учтено, что ширина следа в стримерной камере порядка 1 мм, что ширина зоны 23 облучения составит четырехкратную ширину следа, 10 т.е. 4 мм, что между

5

5

о

5

0

5

0

полосами зазор

составит трехкратную величину от зоны 23 облучения, т.е. 12 мм, что количество зон 23 облучения составит 10, что равно (12+4) мм, и что форма этой зоны - равносторонний треугольник с высотой 160 мм и шириной рснования 320 мм. При этих условиях площадь зоны облучения составит 160х х160 мм 25600 мм. Величина облучаемой площади в зоне составит 1/4 от площади зоны, т.е. 6400 мм. Эта площадь эквивалентна площади круга с радиусом 45 мм.

Таким образом, мм; МВт.

Выбирая величину времени облучения л/ 30 НС, получаем, что -энергия лазерного импульса должна составить . приблизительно 10 Дж,

Следовательно, для достижения поставленной цели необходим лазер со средней энергией импульса излучения.

Длительность лазерного импульса выбирают больше продолжительности импульса постоянного электрического поля для того, чтобы избежать трудностей синхронизации ГИНа и лазера.

В области мишени за счет постоянного электрического поля создаются стримеры со слабой, недостаточной для фоторегистрации яркостью свечения, а увеличение яркости этих стримеров до необходимой для фоторегистрации величины достигается за счет энергии

лазерного излучения,

Изобретение относится к технике физического эксперимента с применением стримерной камеры и может быть использовано при исследовании процессов взаимодействия частиц и ядер с ядрами. Цель изобретения - получение информации о следах частиц в газонаполненной оболочке путем локального регулирования яркости стримеров. Устройство для регистрации следов заряженных частиц в стримерной камере содержит газонаполненный корпус стримерной камеры, электроды, электромагнит с зазором, в котором находится газонаполненный корпус с газонаполненной оболочкой с мишенью, систему стереофотографирования, детекторы пучка частиц, генератор высоковольтных импульсов, блоки синхронизации, управления и запуска. Электрическая прочность газовой смеси в газонаполненном корпусе ниже, чем в газонаполненной оболочке. Получение информации о следах частиц вблизи мишени достигается введением импульсного лазера и блоков формирования и фильтрации лазерных пучков и их синхронизации с генератором высоковольтных импульсов, причем излучение лазера лежит в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне, а газонаполненная оболочка прозрачна для излучения лазера и видимого света, что обеспечивает локальное регулирование яркости стримеров в газонаполненной оболочке группой потоков лазерного излучения. Упрощение конструкции достигается тем, что блок формирования лазерного излучения включает отражательный растр со сферическими элементами. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

т.е. необходимая напряженность лазерного поля должна быть порядка 45 кВ/см.

Использование предлагаемого устройства позволяет получить изображения фрагментов следов частиц вблизи

вершины акта взаимодействия, т.е. той области, которая в известном устройстве либо была нечувствительна к образованию стримеров необходимой яркости, либо экранировалась паразитными разрядами в зоне сгущения вторич- .ных частиц. Получение дополнительной информации о следах 24 вторичных частиц (фрагментах следов) и тем более в очень важной области (в окрестности вершины взаимодействия) существенно повышает эффективность предлагаемого устройства для регистрации следов заряженных частиц на основе стри- мерной камеры с мишенью.

Формула изобретения

I. Устройство для регистрации следов заряженных частиц в стримерной камере, включающее газонаполненный корпус стримерной камеры с системой электродов, блок стереофотографиро- вания, электромагнит с зазором, генератор высоковольтных импульсов, мишень в газонаполненной оболочке, детекторы пучка заряженных частиц, блоки синхронизации, управления и селек -ивного запуска элементов стримерной камеры, причем газонаполненная оболочка размещена в газонаполненном корпусе стримерной камеры, помещенном в зазор электромагнита, при этом

электрическая прочность газовой смеси в газонаполненной оболочке выше электрической прочности газовой смеси S газонаполненпом корпусе стримерной камеры, отличающее- с я тем, что, с целью получения информации о следах частиц в газонаполненной оболочке путем локального регулирования яркости стримеров, в устройство введены импульсный лазер, блок фокусировки излучения лазера в область газонаполненной оболочки, фильтр-поглотитель лазерного излучения, окно для ввода потока лазерного излучения, блок синхронизации импульсного лазера с генератором высоковольтных импульсов, причем длина волны излучения лазера находится в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах, фильтр-поглотитель лазерного излучения имеет переменную плотность по своему сечению, а газонаполненная оболочка выполнена из материала, прозрачного в диапазонах видимого и лазерного излучений.

Фие.1

I

I{dj

22

Фиг. г

фие.З

л

W

гг

75

Фиг.

16