СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК G01T1/38 

Изобретение относится к способам и технике проведения ядерно-физического эксперимента, а более конкретно к спектрометрии заряженных ядерных частиц.

Известен способ определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц, который заключается в определении скорости ядерной частицы методом измерения тормозной способности (т. н. метод dE/dX), определении энергии ядерной частицы детектором полного поглощения и определений по скорости и энергии типа частицы.

Устройство содержит источник ядерных частиц, два прострельных dE/dX пропорциональных счетчика, сквозь которые пролегают ядерные частицы, и детектор полного поглощения.

Недостатком этого технического решения является невысокая точность определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц из-за наличия поглощения части энергии ядерных частиц в детекторе - пропорциональном счетчике, измеряющем скорость методом dE/dX, что приводит в результате к снижению разрешающей способности устройства по энергии ядерных частиц, повышение порога регистрации ядерных частиц, а также это устройство обладает невысокой разрешающей способностью по скорости ядерных частиц из-за низкой точности метода dE/dX.

Известен способ и устройство для определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц, который по совокупности существенных признаков наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип, заключающийся в измерении скорости ядерных частиц по времени пролета путем создания вторичных электронов в эмиттерах, полукруговой фокусировки их магнитным полем и последующей их регистрации стартовым и стоповым детекторами, измерении энергии ядерных частиц детектором полного поглощения, определении по скорости и энергии типа частицы.

Устройство для определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц данным способом содержит стартовый и стоповый детекторы, снабженные стартовым и стоповым эмиттерами вторичных электронов, два источника постоянного однородного магнитного поля для фокусировки вторичных электродов со стартового эмиттера на стартовый детектор и со стопового эмиттера на стоповый детектор, детектор полного поглощения.

Недостатком известного способа и устройства является невысокая точность измерения скорости и энергии ядерных частиц из-за поглощения части энергии ядерных частиц в эмиттерах стартового и стопового детектора, что приводит к снижению разрешающей способности по скорости (времени пролета) и энергии, а следовательно, и типу частицы.

Целью изобретения является повышение точности определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц.

В предлагаемом способе определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц, включающем измерение скорости ядерных частиц по времени пролета путем регистрации вторичных электронов с использованием фокусирующего магнитного поля и измерение энергии ядерных частиц, в отличие от прототипа, время пролета ядерных частиц определяют от момента регистрации вторичных электронов, испускаемых источником ядерных частиц, до момента регистрации вторичных электронов, испускаемых из детектора полного поглощения, при этом регистрацию вторичных электронов производят с использованием трахоидальной фокусировки в скрещенных электрическом и магнитном полях, а энергия определяется путем регистрации ядерных частиц, испускаемых непосредственно источником.

Поставленная цель достигается также тем, что в известное устройство для определения скорости, энергии и типа ядерных частиц, содержащее носитель источника ядерных частиц, стартовый и стоповый детекторы с эмиттерами вторичных электронов и источниками магнитного поля и детектор полного поглощения, дополнительно введены две конденсорные пластины с отверстиями, расположенными по оси аксиальной симметрии пучка ядерных частиц и детектора полного поглощения, причем одна конденсаторная пластина расположена перед излучающей поверхностью источника и образует с ним плоский конденсатор, подключенный к источнику регулируемого напряжения, а вторая конденсорная пластина расположена перед детектором полного поглощения и образует с ним плоский конденсатор, подключенный к источнику регулируемого напряжения, при этом в качестве эмиттеров вторичных электронов используется соответственно источник ядерных частиц и детектор полного поглощения, при этом входная поверхность стартового детектора расположена в одной плоскости с излучающей поверхностью источника ядерных частиц, а входная поверхность стопового детектора расположена в одной плоскости с входной поверхностью детектора полного поглощения.

Отмеченный существенный признак предлагаемого способа, заключающийся в том, что время пролета ядерных частиц определяют с момента регистрации вторичных электронов, испускаемых источником ядерных частиц до момента регистрации вторичных электронов, испускаемых из детектора полного поглощения, в известных технических решениях не обнаружен.

Отличительный существенный признак, заключающийся в том, что регистрацию вторичных электронов производят с использованием трахоидальной фокусировки в скрещенных электрическом и магнитном полях, а также отличительный существенный признак, заключающийся в том, что энергия определяется путем регистрации ядерных частиц, и спускаемых непосредственно источником, по отдельности известны, однако именно совокупность перечисленных признаков позволяет достичь поставленную цель и в известных технических решениях не обнаружена.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемый способ соответствует критерию "существенные отличия". Он позволяет, используя регистрацию вторичных электронов, испускаемых источником в момент вылета из него ядерной частицы, и вторичных электронов, испускаемых с выходной поверхности детектора полного поглощения в момент регистрации им ядерной частицы, производить измерения времени пролета и, следовательно, скорости ядерных частиц без искажения этой характеристики эмиттерами, используемыми в прототипе. Здесь имеется в виду уменьшения скорости и увеличение разброса по скоростям из-за торможения ядерных частиц в эмиттерах. Кроме того, детектор полного поглощения измеряет энергию ядерных частиц, испускаемых непосредственно источником, и также без искажений этой характеристики эмиттерами, используемыми в прототипе.

Отличительный существенный признак предлагаемого устройства, заключающийся в том, что в известное устройство дополнительно введены две конденсорные пластины с отверстиями, расположенными на оси аксиальной симметрии пучка ядерных частиц и детектора полного поглощения, в известных технических решениях не обнаружен.

Отличительный существенный признак предлагаемого устройства, заключающийся в том, что одна конденсорная пластина расположена перед излучающей поверхностью носителя источника ядерных частиц и образует с источником и стартовым детектором плоский конденсатор, подключенный к источнику регулируемого напряжения, а вторая конденсорная пластина расположена перед детектором полного поглощения и образует с детектором полного поглощения и стоповым детектором плоский конденсатор, подключенный к источнику регулируемого напряжения, в известных технических решениях не обнаружен.

Отличительный существенный признак предлагаемого устройства, заключающийся в том, что в устройстве в качестве эмиттера вторичных электронов используется соответственно носитель с источником ядерных частиц и детектор полного поглощения, в известных технических решениях не обнаружен.

Отличительный существенный признак предлагаемого устройства, заключающийся в том, что входная поверхность стартового детектора расположена в одной плоскости с излучающей поверхностью источника ядерных частиц, а входная поверхность стопового детектора расположена в одной плоскости с входной поверхностью детектора полного поглощения, также в известных технических решениях не обнаружен.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия". Оно позволяет реализовать предлагаемый способ определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц, заключающийся в измерении скорости ядерных частиц по времени пролета, энергии ядерных частиц с использованием детектора полного поглощения и определении по скорости и энергии типа частиц. В отличие от прототипа данное устройство позволяет определять указанные характеристики с наивысшей разрешающей способностью, определяемой только разрешающей способностью используемых в устройстве детекторов и толщиной используемого источника ядерных частиц, т. к. в предлагаемом устройстве исключены элементы, искажающие экспериментальную информацию.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Способ определения скорости, энергии и типа ядерных частиц заключается в измерении времени пролета ядерной частицы расстояния между источником и детектором полного поглощения путем регистрации стартовым детектором вторичных электронов, испускаемых носителем с источником ядерных частиц, и стоповым детектором вторичных электронов, испускаемых входной поверхностью детектора полного поглощения, с использованием трахоидальной фокусировки вторичных электронов. По моментам регистрации вторичных электронов стартовым и стоповым детекторами определяют момент вылета ядерной частицы из источника и момент попадания ядерной частицы в детектор полного поглощения и в результате определяют время пролета частицы расстояния между источником и детектором полного поглощения и, как следствие, скорость. По энергии, выделенной ядерной частицей в детекторе полного поглощения, которая, как правило, преобразуется в электрический заряд, величина которого пропорциональна поглощенной энергии, определяют энергию ядерной частицы, испущенной непосредственно источником. По полученным значениям скорости v и энергии Е ядерных частиц определяют их массу m_o, а следовательно, и тип частиц из известного соотношения:
E= -m₀c², где c - скорость света.

Устройство для определения скорости, энергии и типа ядерных частиц содержит носитель источника 1 ядерных частиц; конденсорную пластину 2 с отверстием, установленную перед источником 1 ядерных частиц; детектор 3 полного поглощения, конденсорную пластину 4, установленную перед детектором 3 полного поглощения, стартовый детектор 5, стоповый детектор 6, источники 7,8 магнитного поля, создающие постоянное однородное магнитное поле в области траекторий вторичных электронов, источник 9 регулируемого напряжения, подключенный к источнику 1 ядерных частиц и конденсорной пластине 2; источник 10 регулируемого напряжения, подключенный к детектору 3 полного поглощения и конденсорной пластине 4. Центры источника 1 ядерных частиц, отверстия конденсорной пластины 2, конденсорной пластины 4, детектора 3 полного поглощения расположены на оси аксиальной симметрии.

Устройство работает следующим образом.

Носитель с источником 1 ядерных частиц испускает исследуемые частицы и одновременно вторичные электроны. Вторичные электроны ускоряются электрическим полем конденсатора стартового детектора, создаваемым источником 9 регулируемого напряжения и отклоняются магнитным полем, создаваемым источником 7 магнитного поля, и, двигаясь по трахоидальной траектории, попадают в стартовый детектор 5, который вырабатывает электрический импульс, несущий информацию о моменте вылета ядерной частицы из источника. Ядерная частица, движущаяся в направлении детектора 3 полного поглощения, проходит через отверстие в конденсорной пластине 2 и отверстие в конденсорной пластине 4, расположенные на оси аксиальной симметрии, размер которых обеспечивает необходимую апертуру устройства, и попадает в детектор 3 полного поглощения. В момент попадания ядерной частицы в детектор полного поглощения его входная поверхность испускает вторичные электроны, которые ускоряются электрическим полем конденсатора стопового детектора, создаваемым источником 10 регулируемого напряжения, и отклоняются магнитным полем, создаваемым источником 8 магнитного поля и, двигаясь по трахоидальной траектории, попадают в стоповый детектор 6, который вырабатывает электрический импульс, несущий информацию о моменте попадания ядерной частицы в детектор полного поглощения.

Расстояние между конденсорными пластинами стартового и стопового детекторов не должно быть меньше высоты трахоидальной траектории фокусируемых электронов. Напряжения конденсатора стартового детектора и конденсатора стопового детектора устанавливаются источниками 9,10 регулируемого напряжения таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность регистрации, вторичных электронов стартовым детектором 5 и стоповым детектором 6. Детектор полного поглощения, зарегистрировав ядерную частицу, вырабатывает электрический импульс, заряд которого несет информацию об энергии ядерной частицы.

Таким образом, по моментам выработки стартовым и стоповым детекторами 5,6 электрических импульсов определяют скорость ядерной частицы, а по заряду электрического импульса, вырабатываемого детектором 3 полного поглощения, определяют энергию ядерной частицы и по комбинации этих двух величин определяют тип частицы.

Предлагаемое техническое решение обладает принципиальным отличием от всех ранее известных, заключающихся в обеспечении возможности определять характеристики ядерных частиц, испускаемых источником, без искажения получаемой информации различными устройствами, расположенными на пути пучка частиц. Это позволяет достигать максимальной возможной разрешающей способности предлагаемого устройства, определяемой только временными энергетическими характеристиками используемых детекторов и толщиной активной части источника ядерных частиц. Другим важным достоинством является обеспечение возможности проведения абсолютных измерений энергии ядерных частиц, испускаемых источником излучения, в частности энергий альфа-частиц от радионуклидных источников, значения которых могут использоваться в качестве стандартных справочных данных.

В предлагаемом устройстве практически могут использоваться в качестве стартового и стопового детектора детекторы на основе микроканальных пластин с временным разрешением менее 100 пс и детекторы полного поглощения полупроводниковые с энергетическим разрешением порядка 10 кэВ (для альфа-частиц с энергией ≈ 5 МэВ), что позволит получать разрешение по массе менее единицы ввиду отсутствия уширения спектральных линий из-за поглощения в эмиттерах, используемых в прототипе.

Так, например, уменьшение энергии альфа-частиц с начальной энергией ≈ 5 МэВ при прохождении эмиттеров, используемых в прототипе, составляет в лучшем случае 20 кэВ, а уширение линии ≈ 10 кэВ. Эти величины возрастают квадратично с зарядом частицы и обратно пропорционально с энергией частицы. При исследовании спектров осколков давления, где средняя энергия давления ≈ 200 МэВ, например, для осколков с массами 200 и 40, энергии осколков будут соответственно 33 МэВ и 6 МэВ. Тогда уширение линии для тяжелого осколка будет ≈ 4 МэВ, что составляет от 33 МэВ 13% , в то время как желательно иметь разрешение 0,5% .

Таким образом, точность и достоверность, получаемая при определении скорости энергии и типа ядерных частиц, повышается минимум в два раза по сравнению с прототипом. Предлагаемое техническое решение может быть использовано в установках для измерения ядерно-физических постоянных в экспериментах по спонтанному делению, вынужденному делению на тепловых и быстрых нейтронах в спектрометрии альфа-частиц и др. (56) Клочкова Л. И. , Ковригин Б. С. , Курицын В. Н. Спектрометр для исследования энергетических спектров и угловых распределений протонов из реакций, возникающих под действием нейтронов с энергией 14,1 МэВ. В кн. : Нейтронная физика. (Материалы 5-й Всесоюзной конференции по нейтронной физике, Киев, 15-19 сентября 1980. М. , - ЦНИИатоминформ, 1980, с. 177-181.
Дмитриев В. Д. , Зоден Х. , Калини А. М. и др. Времяпролетный спектрометр осколков деления. - Препринт 7-13006, ОИЯИ. Дубна, 1980, с. 7.

Изобретение относится к способам определения ядерно-физических констант в экспериментах по спонтанному делению, вынужденному делению на тепловых и быстрых нейтронах, в спектрометрии. Целью изобретения является повышение точности определения. Цель достигается тем, что скорость ядерных частиц определяют по времени пролета с момента регистрации испускания вторичных электронов источником ядерных частиц до момента регистрации вторичных электронов, испускаемых из детектора полного поглощения. Энергия определяется путем регистрации ядерных частиц, испускаемых непосредственно источником. Предлагается также устройство для реализации заявленного предложения. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц, заключающийся в измерении скорости ядерных частиц по времени пролета путем регистрации вторичных электродов с использованием фокусирующего магнитного поля, измерении энергии ядерных частиц детектором полного поглощения и определении по скорости и энергии типа частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, время пролета ядерных частиц определяют от момента регистрации вторичных электронов, испускаемых источником ядерных частиц, до момента регистрации вторичных электронов, испускаемых из детектора полного поглощения, при этом регистрацию вторичных электронов осуществляют после трахоидальной фокусировки в скрещенных электрическом и магнитном полях, а энергию определяют путем регистрации ядерных частиц, испускаемых непосредственно источником. 2. Устройство для определения ядерно-физических характеристик ядерных частиц, содержащее носитель источника ядерных частиц, стартовый и стоповый детекторы с источниками магнитного поля, детектор полного поглощения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и упрощения устройства, оно дополнительно снабжено двумя конденсорными пластинами с отверстиями, расположенными на оси аксиальной симметрии пучка ядерных частиц и детектора полного поглощения, причем одна конденсорная пластина расположена перед поверхностью носителя и образует с ним и стартовым детектором плоский конденсатор, подключенный к источнику регулируемого напряжения, а вторая конденсорная пластина расположена перед детектором полного поглощения и образует с детектором полного поглощения и стоповым детектором плоский конденсатор, подключенный к источнику регулируемого напряжения, при этом в качестве эмиттеров вторичных электронов использованы соответственно носитель с источником ядерных частиц и детектор полного поглощения, причем входная поверхность стартового детектора расположена в одной плоскости с излучающей поверхностью источника ядерных частиц на носителе, а входная поверхность стопового детектора расположена в одной плоскости с входной поверхностью детектора полного поглощения.