Измеритель параметров пучков ионизирующих частиц Советский патент 1991 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к дозиметрии импульсных пучков ионизирующих частиц (ПИЧ) радиационно-акустическими методами, в частности, для измерения параметров несплошных кольцевых, эллиптических (в виде части кольца, эллипса) и др. ПИЧ (электронов, протонов, нейтронов, Y -квантов, много- зарядных ионов и пр) .

Целью изобретения является расширение функциональной возможности устройства путем осуществления возможности регистрации несплошных пучков и определения характеристик ПИЧ в одном токовом импульсе, а также улучшение конструкции.

Сущность изобретения может быть раскрыта следующими пояснениями.

Предлагаемое устройство, также как и изнестное содержит проволочную

мишень, акустический детектор, соединенный с проволочной мишенью через акустический контакт, и регистрирующее устройство.

Проволочная мишень содержит три проволочки, расположенных в одной плоскости и сочиненных в одной точке, причем одна или две проволочки выполнены из материала с положительным значением параметра Грюнайзе- на, а оставшаяся (иеся) проволочка (и) выполнены из материала с отрицательным значением параметра Грюнайзе- на, при этом акустический детектор соединен с одной из двух проволочек с одинаковым значением параметра Грюнайзена. Проволочки могут быть расположены равномерно по окружности, образуя центральные углы 120е. Измеритель параметров ПИЧ может содержать

СП

СО 00

vl

СЛ

несколько одинаковых трехпроволочных мишеней, расположенных перпендикулярно оси кольцевого ПИЧ на некотором расстоянии друг от друга и соединен- ных между собой акустическим контактом с одним акустическим детектором, При прохождении импульсных пучков ионизирующих частиц (электронов, протонов, У-квантов, нейтронов, много- зарядных ионов) через конденсированные среды возбуждаются акустические колебания, обусловленные термоупругим механизмом, в основе которого лежит перегрев зоны взаимодействия, вызванный диссипированными потерями энергии частиц пучка. Перегрев зоны, взаимодействия приводит к возникновению нестационарных термоупругих напряжений и, как следствие этого, к воз- буждению акустических колебаний распространяющихся по образцу-мишениi Акустическое давление, возбуждаемое в образце пучком ионизирующих частиц, определяется выражением

Q

СИ, t) (Ј(, О, (1)

где Ј(r, t) - плотность поглощенной энергии пучка ионизирующих частиц в веществе мишени; Г сб-S /Ср - параметр Грюнайзена

вещества мишени;

где об,о, Ср - коэффициент объемного расширения, скорость звука : теплоемкость вещества мишени.

Исследуя радиационно-акустический эффект гадолиния, обладающий фазовым переходом второго рода (перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное) , впервые экспериментально обнаружено, что при облучении гадолиния импульсным пучком электронов воз- буждаемая амплитуда акустического сигнала при изменении температуры мишени в области фазового перехода (температура Кюри Т к 289 К) меняет фазу. При температурах Т 295 К амплитуда возбуждаемого акустического сигнала положительная, т.е. генерируется волна сжатия, а в области температуры Т 295 К амплитуда возбуждаемого акустического сигнала отрицательная, т.е. генерируется волна разрежения.

Фазовый переход ферромагнетик парамагнетик () обратимый, в ре5Q $ 0 5

0

,-. ., 0

5

зультате перехода Ф П происходит изменение степени симметрии магнитных моментов атомов гадолиния из упорядоченной структуры (ферромагнетик) в разупорядоченную (парамагнетик). Этот переход происходит без изменения агрегатного состояния и химического состава. В области фазового перехода у гадолиния изменяются теплофиэичес- кие и упругие характеристики. В результате этого параметр Грюнайзена гадолиния при изменении температуры в области фазового перехода Ф 5 П изменяет знак. В области температур Т 295 К параметр Грюнайзена положителен, а в области температур Т 295 К параметр Грюнайзена отрицателен. Соответственно и амплитуда акустического сигнала, возбуждаемого потоком ионизирующих частиц при переходе , будет изменять фазу (см.выражение (1)), т.к. величина Ј(r, t) в процессе перехода остается постоянной.

Этот экспериментально обнаруженный эффект позволил получить простое техническое решение для создания измерителя параметров несплошных кольцевых ПИЧ, основанное на одновременном использовании материалов с отрицательным и положительным значениями параметров Грюнайзена (Г) для проволочной мишени.

При взаимодействии кольцевого ПИЧ с трехпроводной мишенью в каждой из проволочек будет возбуждаться акустический сигнал, пропорциональный плотности энерговыделения ПИЧ и генерационной способности материала проволочки, мерой которой является параметр Грюнайзена материала мишени. В проволочках с положительным параметром Грюнайзена (Г+) будет возбуждаться волна сжатия, форма которой определяется пространственным распределением плотности потока ионизирующих частиц по ширине кольца, а в проволочке с отрицательным значением параметра Грюнайзена (Г) будет возбуждаться волна разрежения (противоположной полярности волне сжатия).

Например, в варианте с трехпрово- лочной мишенью, у которой две проволочки Г+, а одна Г акустический детектор в регистрирующее устройство зарегистрирует три акустических сигнала, первый акустический сигнал положительной полярности (волна сжатия)

5

от пронолочки, на которой расположен акустический детектор, второй и третий акустические сигналы в зависимости от их полярности (положитель- ный или отрицательный) однозначно укажут, в какой проволочке и в какой последовательности розбуждаются ПИЧ акустические сигналы. Временная последовательность регистрации акусти- ческих сигналов от каждой из проволочек позволяет однозначно определит размер и местоположение кольцевого ПИЧ в пространстве.

Использование нескольких одина- ковых трехпроволочных мишеней, расположенных нормально оси кольцевого ПИЧ на некотором расстоянии друг от друга и соединенных между собой акустическим контактом позволяет определясь расходимость ПИЧ в пространстве одним акустическим детектором.

На фиг.1 изображен вариант устройства; на фиг.2 - временная после- довательност прихода акустических сигналов от области взаимодействия ПИЧ с мишенью к акустическому детектору; на фиг.З - вариант устройства, измеряющего расходимость ПИЧ.

Устройство содержит проволочную мишень, состоящую из трех проволочек 1-3 (фиг.1) диаметром d и длиной 1, акустическим детектор 4 и регистрирующее устройстно 5,- Провопо

ки расположены в олнои плоскости и соединены концами через акустический контакт между собой в, одной точке, противоположные концы проволочек образуют расходящиеся лучи под про- извольными углами между собой. Углы между проволочками выбираются в зависимости от формы контура несплошных ПИЧ, которая может быть элипсной кольцевой или и виде части элипса, кольца и др. Для измерения параметров кол ьцевых ПИЧ проволочки целесообразно расположить по окружности равномерно через 120°, для элипсных ПИЧ можно использовать Т-образное расположение проволочек и т.д.

Две проволочки выполнены-из одинакового материала, например, латуни, меди, железа с положительным

значением параметра Грюнайзена, третья проволочка, например, из гадолиния (Gd), у которого при температуре Т 295 К параметр Грюнайзена принимает отрицательное значение.

ю

15 20

25 30

,

ob

п с

5

7IS6

Комбинация материл.мон проволочек j может быть и ДРУ1РЙ, например, дне проволочки с отрицатрльным значением, а третья с положительным значением параметра Гркшанзенл. Обяза ольное

условие должно : ыполнятыя при -этом,, чтобы одна из проволочек имела значение параметра Грюнличена противоположное первьм двум.

Конструктивно первые две проволочки представляют собой одну проволочку длиной 2, изогнутую посередине под произвольным углом.Третью проволочку для обеспечения надежного акустического контакта и механической прочности мишени припаивают к точке изгиба под произвольные углом к первым двум.

Акустический детектор через акустический контакт подсоединен к одному из торцов изогнутой проволочки. Акустический детектор представляет собой широкополосный пьезоприемннк, состоящий из тонкого пьезокерами- чсского диска (материал - пьезоке- рамика типа ЦТС-23, ЦТС-19) толщиной h z 0,5-1 мм, соединенного с тыльной стороны с коническим поглоти-- телем и заключенного в металлический экран.

В качестве регистрирующего устройства можно использовать осциллограф, самописец или входное устройство ЭВМ.

Выбор гадолиния в качестве облучаемого материала мишени для фор- мироо.яния отрицательного акустичес- , кого сигнала ПИЧ связан с тем, что у гадолиния температурный интервал, в котором параметр Грюнайзена принимает отрицательное значение Г- 1, наиболее близко расположен к комнатной температуре. Авторы исследовали и другие материалы с фазовым переходом первого и второго рода, такие редкоземельные металлы, как диспрозий, тербий и др., у которых параметр Грюнайзена зависит от температуры и может принимать отрицательные значения. Однако у этих металлов начало области температур отрицательных значений параметра Грюнайзена находится значительно ниже комнатной температуры Т 100- 250 К. (Распространенность редкоземельных металлов в земной коре, на- пример шире, чем у ртути и встречаются они приблизительно так же часто, как олово или спинец, поэтому они доступны также, как и другие металлы).

Работу устройства рассмотрим на примере определения параметров кольцевых пучков ионизирующих частиц когда проволочки расположены равномерно по окружности 120°С. Рассмотрим вариант работы устройства, содержащего две медные проволочки 1 и 2 (фиг.1) с положительным значением параметра Грюнайзена, равным Гсг 2, и одну проволочку из гадолиния с отрицательным значением параметра Грюнайзена ГсН, которые соединены в точке 0. Пусть кольцевой пучок диаметром D и шириной кольца h пересекает мишень в точках А,В, С, обозначим расстояния от точки 0 до точек А,В,С соответственно Х, X, Xt, a расстояние от точки 0 до акустического детектора (длина первой проволочки) L. Введем декартовую систему координат так, чтобы ось X была направлена вдоль первой проволочки.

В качестве регистрирующего устройства будем использовать осцилограф.

Последовательность прихода акустических сигналов от точек А,В, С приведена на фиг.2.

При взаимодействии кольцевого ПИЧ с трехцроволочной мишенью акустический детектор первым всегда -буде регистрировать акустический сигнал от точки А. Этот сигнал положительный и задержан относительно синхро- ИМПУЛЬГЯ v-корителн на время 1.1/-Хд)/5, где $i скорость звука в меди. Вторым будет зарегистрирован акустический сигнал от точки В, он также положителен и задержан относительно синхроимпульса на время Ј. (L+X.)/. Третьим будет зарегистрирован акустический сигнал от точки С, он будет отрицательный и задержан относительно синхронм7 - L 4-

- s Se

пульса на время с-л - + - где

$2. скорость звука в гадолинии. По задержкам , е, с однозначно определяются расстояния X., X., Хс, а полярность, акустических импульсов (положительная или отрицательная; от точек В и С однозначно укажет, в какой проволочке 2 или 3 и в какой последовательности возбуждаются ПИЧ акустические сигналы. По расстояниям Хд, Xj,, Хс определяются координаты

38715 8

точек пересечения ПИЧ с мишенью,точки А, В, С имеют координаты:

д(Х . г п I- ХА Ч v . , / Хс

0) в ( 2 г V;

С

(- с ( 2.

)

2 С;

Как известно, через три

5

0

0

5

0

5

0

5

точки, не лежащие на одной прямой, можно провести окружность одного радиуса, т.е. однозначно определить ра- диус ПИЧ и положение центра тяжести ПИЧ.

Форма акустического импульса в точках пересечения кольцевого ПИЧ с мишенью определяется пространственным распределением ионизирующих частиц по ширине кольца, длительность этих импульсов равняется времени акустической релаксации области взаимодействия ПИЧ с проволочкой 6n h/S, где S - скорость звука материала проволочек, что позволяет определять ширину кольцевого ПИЧ, амплитуда импульсов связана с плотностью распределения ионизирующих частиц по ширине кольцевого ПИЧ, т.е. по акустическим сигналам из точек пересечения кольцевого ПИЧ с мишенью однозначно определяются ширина кольцевого ПИЧ и плотность распределения ионизирующих частиц по ширине кольцевого ПИЧ, т.е. плотность потока ионизирующих частиц.

Измеритель параметров ПИЧ может состоять из нескольких трехпрово- лочных мишеней, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и соединенных между собой акустическим контактом (фиг.З). Последовательное .соединение этих мишеней должно обязательно производиться с тех проволочек, на которых должны устанавливаться акустические Детекторы. При этом съем информации со всех мишеней производится одним акустическим детектором, поскольку поступление акустических сигналов с каждой последующей мишени будет иметь дополнительную временную задержку, равную X./S, X2/S...Xn/S, где S - скорость зиука материала соединяющей проволочки. Практически это осуществляется следующим образом. К проволочке длиной Xп припаивают мишени на расстоянии Х друг о г друга, акустический детектор соединяют акустическим контактом с перной или последней мишенью. Это измерительное устройство позволяет получать инфор

нацию о расходимости кольцевых ПИЧ в Пространстве.По сравнению с известным процесс измерения и получения информации о расходимости ПИЧ в предложенном устройстве значительно упрощается, поскольку не -требуется механического сканирования мишеней в плоскости, перпендикулярной оси ПИЧ. Это позволяет размещать мишени непосредственно в пучкопроводе и контролировать параметры ПИЧ во всех местах его транспортировки, не внося существенных искажений в параметры самого ПИЧ

Предложенное устройство может регистрировать импульсные потоки электронов, позитронов, протонов, Г-квантов, нейтронов, многозарядных ионов и др.Плотность потока ионизирующих частиц при измерении предлагаемым акустическим дозиметром может находить сяв пределах 105-106 частиц/см2,где нижний предел определяется уров нем молекулярных шумов веществ мишени, а верхний предел - прочностью вещест- ва мишени на разрушение. Длительность измеряемых импульсов ПИЧ может находиться в пределах 10 9-1СГгс.

Предложенное устройство обладает . хорошей пфмехозащищенностью от импульсных электромагнитных помех, что позволяет проводить измерения параметров сильноточных ПИЧ, генерация которых сопровождается мощными электромагнитными наводками.

Формула изобретения

1. Измеритель параметров пучков ионизирующих частиц, состоящий из

10

15

г

0

0

5

проволочной мишени, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси пучка ионизирующих частиц, акустического детектора, соединенного с проволочной мишенью через акустичес кий контакт, и регистрирующего устройства, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем осуществления возможности регистрации несплошных кольцевых пучков и определения характеристик пучка ионизирующих частиц в одном токовом импульсе,- также упрощения конструкции, проволочная мишень выполнена из трех проволочек, расположенных в одной плоскости и соединенных в одной тбч- ке, причем одна часть проволочек выполнена из материала с положительным значением параметра Грюнайзена, а оставшаяся часть из трех проволочек - из материала с отрицательным значением параметра Грюнайзена, при этом акустический детектор соединен с одной из двух проволочек с одинаковым значением параметра Грюнайзена.

2.Измеритель по п.1, отличающийся тем, что проволочки расположены равномерно по окружности, образуя центральные углы 120 .

3.Измеритель по п.отличающийся тем, что он содержит несколько трехпроволочных мишеней, расположенных вдоль оси пучка ц соединенных с одним акустическим детектором.

Изобретение относится к технике измерения заряженных частиц, более конкретно к измерителям параметров пучков ионизирующих частиц. Целью изобретения является расширение функциональнмх возможностей устройства, упрощение его конструкции. Цель достигается тем, что устройство содержит трехпроволочную мишень, скомбинированную из различных материалов с положительным и отрицательным значениями параметра Грюнайзена, акустический детектор и регистрирующее устройство. Систему из таких мишеней можно непосредственно располагать в разных местах пучкопровода, я получаемую информацию со всех мишеней использовать как в дозиметрических целях, так и в системах фокусировки, транспортировки и управления пучком ионизирующих частиц,. 2 з.п.ф-лы. 3 ил. SS (/

г (г.)

Кальцебои /tyvox

г(г-

Фиг.

I I I

LI

f -fr

is(0)/S,

tlSp)

Фив. 2

Фиг.д