Способ регистрации треков заряженных частиц Советский патент 1993 года по МПК G01T5/02 

Изобретение относится к области ядерной физики и техники, а именно к методам регистрации ядерных излучений и может быть использовано при создании трековых детекторов заряженных частиц для исследований в области ядерной физики, физики элементарных частиц, для контроля радиоактивности окружающей среды, а также для создания приборов, используемых в качестве учебных пособий по курсу физики в средней школе и вузах.

Цель изобретения - создание способа .получения устойчивого пересыщения в объеме сосуда, путем создания по стенкам сосуда по направлению сверху вниз нелинейного градиента температуры и последующего расширения смеси газа и пара, приводящего к понижению температуры.

.Цель достигается тем, что в замкнутом сосуде, заполненном смесью газа, создают поток пара от нагреваемой поверхности к охлаждаемой, согласно изобретению по

стенкам сосуда устанавливают нелинейный по направлению сверху вниз градиент температуры и производят расширение смеси газа и пара.

В атмосферном воздухе и воздухе рабочих помещений радон всегда находится вместе со своими дочерними продуктами. С целью раздельной регистрации треков частиц, образующихся при распаде дочерних продуктов радона, содержащихся в воздухе, смещают продукты распада в чувствительный слой благодаря конвекции и уменьшают время нахождения продуктов распада радона в чувствительном слое за счет увеличения градиента температуры и скорости конвекции до величины, меньшей времени жизни RaA.

Радиоактивные продукты являются центрами конденсации, поэтому в чувствительном слое на них растут капли и падают на дно камеры. С целью регистрации радиоактивных продуктов, осажденных из воздуха,

00

о

ы

со

регистрируют альфа-частицы с помощью ППД, помещенного на дне камеры. При этом регистрируют также световые вспышки благодаря рассеянию света треками. Регистрация электрических и световых импульсов позволяет осуществлять спектрометрию альфа-частиц и раздельную регистрацию радона и его дочерних продуктов.

В ряде случаев желательно осуществлять способ создания пересыщения в бытовых условиях, когда использование дополнительного охлаждения с помощью специальных реагентов или устройств затруднительно. Предлагаемый способ позволяет создать устойчивое пересыщение при установлении температуры охлаждаемой поверхности (за счет охлаждения окружающей средой согласно п.6 формулы изобретения) выше температуры окружающей среды. При этом следует использовать смесь двух взаимно растворяющихся жидкостей с различающимися температурами кипения (например, вода и глицерин, вода и гликоль, нитрабензол - бензол) согласно п.З формулы изобретения.

Весьма актуальной является задача спектрометрии газообразных радиоактивных продуктов, имеющих электроотрицательные примеси. С этой целью треки, образовавшиеся в газе, следует смеща ть электрическим полем в чувствительный слой и с помощью ФЭУ (или ППД) измерять интенсивность рассеянного треками света. Так как интенсивность рассеянного каплями света пропорциональна числу капель, сигнал на выходе ФЭУ будет пропорционален энергии заряженной частицы. Для осуществления способа необходимо дополнительно к независимому признаку по заявляемому способу с целью спектрометрии радиоактивных газов регистрировать свет, рассеянный каплями, ФЭУ.

С целью упрощения осуществления способа по независимому признаку между центральной частью дна и ее периферией поддерживают градиент температуры (п.2 формулы изобретения). Это приводит к тому, что в объеме камеры увеличивается скорость переноса пара от нагреваемой поверхности к охлаждаемой. За счет переноса пара от периферии к центру создается необходимое для регистрации треков заряженных частиц пересыщение в чувствительном слое.

Толщина чувствительного слоя в зависимости от задаваемого вертикального градиента температуры по стенкам камеры изменяется от нескольких мм при резко нелинейном градиенте температуры до нескольких см. Однако, чем больше толщина чувствительного слоя тем менее устойчив

режим работы. Предполагаемое изобретение позволяет увеличить толщину чувствительного слоя в конденсационной камере практически до полного объема камеры. Это

достигается путем понижения давления в камере благодаря расширению в заданный момент времени смеси газа и пара, В результате расширения (практически - адиабатического) температура смеси газа и пара

0 понижается. Пар становится пересыщенным по всему объему камеры, поэтому регистрация треков также осуществляется во всем объеме.

Экспериментально установлено, что

5 предлагаемый способ позволяет увеличить высоту чувствительного слоя до полной высоты камеры в конденсационной камере любого типа: как с охлаждаемым дном и нагреваемой крышкой, так и в каме0 ре с нагреваемым дном и охлаждаемой крышкой.

Предлагаемый способ позволяет получать устойчивый режим работы камеры, потому, что объем конденсационной камеры

5 очищается от центров конденсации содержащихся в газе. Это особенно важно в тех случаях, когда камера заполняется атмосферным воздухом или не герметична. Любая конденсационная камера самоочищается от

0 центров конденсации, и это позволяет осуществить предлагаемый способ регистрации треков заряженных частиц.

Увеличепние скорости движения в объеме камеры способствует быстрейшему

5 очищению объема камеры от центров конденсации. Предложенное в п.2 формулы изобретения, создание горизонтального градиента температуры между центральной частью дна и его периферии увеличивает

0 скорость конвекции и, следовательно, ускоряет процесс самоочищения объема камеры от центров конденсации. Это в свою очередь увеличивает стабильность чувствительного слоя. Аналогично влияние

5 нелинейности вертикального температурного градиента по стенкам камеры. Если температурный градиент возрастает по направлению сверху вниз, то смесь газа и пара вблизи стен будет перемещаться снизу

0 вверх, а в основном объеме сверху вниз. Чем больше нелинейность температуры, тем интенсивнее это движение. Если температурный градиент возрастает по направлению снизу вверх, то, наоборот, смесь газа и

5 пара вблизи стен будет двигаться вниз, а в основном объеме снизу вверх. Как в первом, так и во втором случае увеличение нелинейности, температурного градиента приводит . к более быстрому убиранию из объема камеры центров конденсации и увеличению стабильности чувствительного слоя по п.4 формулы изобретения.

Согласно теории любая жидкость может быть использована в конденсационной камере потому, что пары жидкости конденсируют- ся на ионах при меньшем пересыщении чем на незаряженных центрах. Поэтому регистрация треков заряженных частиц возможна в парах любой жидкости. Наибольший интерес, естественно, представляют жидкости наименее вредные. Поэтому в качестве рабочих жидкостей в конденсационных камерах обычно применяют воду, спирты и их смеси. Для расширения диапазона рабочих температур применяют жидкости с сущест- венно различающимися температурами кипения. Наиболее пригодные жидкости приведены в п.З формулы изобретения.

Электрическое поле смещает ионы, образующиеся в объеме камеры к электродам. Это позволяет осуществлять раздельную регистрацию положительных и отрицательных ионов. По расстоянию между колонками капель, образованных ионами различных знаков, можно определять момент времени образования трека заряженной частицы. Электрическое поле очищает объем камеры от заряженных центров конденсации, и в том числе от продуктов распада радона (RaA). Использование электрического поля в объеме камеры существенно расширяет возможности способа, как указано в п.5 формулы изобретения.

Экспериментально установлено, что заявляемый способ позволяет получать изо- бражения .объектов в рентгеновских лучах. В качестве примера рассмотрим эксперименту котором было получено изображение плазмы, сжатой лазерными пучками сферической оболочечной мишени. Короткий им- пульс рентгеновского излучения плазмы с помощью камеры обскуры проэктировался на поверхность эмиттера, помещенного в объеме камеры. Благодаря фотоэффекту электроны с поверхности эмиттера попада- ли в объем камеры и после расширения регистрировались треки электронов. Треки фотографировалоись и по их пространственному и энергетическому распределению восстановили изображение горячей плаз- мы, причем измерялось и энергетическое распределение электронов. Эмиттером может служить дно, крышка или как указано в п. 10-12 формулы изобретения, введенное в камеру вещество или стенки камеры.

Очень большой интерес представляет спЬсоб получения увеличенного изображения с помощью эмиттера, имеющего малый радиус кривизны г. При олучении эмиттера излучением, вызывающим внешний фотоэффект, электроны,выходящие из его поверхности в объем камеры, проецируют электрическим полем в чувствительный слой,

причем в чувствительном слое регистрируР

ется изображение, увеличенное в - раз, где

R радиус дна камеры. При малых радиусах кривизны эмиттера увеличение может достигать 10 раз. При равномерном облучении эмиттера ультрафиолетовым светом можно получать увеличенное изображение, выявляющее пространственное распределение работы выхода поверхности эмиттера.

Экспериментально показано, что в объем камеры можно вводить, без нарушения ее работы различные радиоактивные препараты и в том числе пробы грунта, пищевых продуктов, различных жидкостей. Для того, чтобы предотвратить конденсацию паров рабочей жидкости на поверхности проб, нагреваемая поверхность (дно или крышка в зависимости от. типа конденсационной камеры) поддерживается при температуре выше температуры ее конденсации, а пробу размещают вне чувствительного слоя, как заявлено в п.13 формулы изобретения.

Предлагаемый способ реализован следующим образом. В сосуде, ограниченном стеклянными стенками, стеклянной крышкой и металлическим дном, заполненным смесью газа и пара с помощью нагревателей, размещенных в крышке и стенках сосуда и охладителя,создают возрастающий по направлению сверху вниз градиент температуры. Вследствие этого, в объеме сосуда возникает движение газа, который увлекает пары спирта с периферии дна сосуда в верхние сечения. Смесь газа и пара в основном объеме при задании градиента температуры движется сверху вниз. Попадая в область -вблизи охлаждаемого дна, пары жидкости охлаждаются, в результате чего возникает пересыщение, достаточное для регистрации треков заряженных частиц. Треки освещают осветителем и регистрируют через стеклянную крышку сосуда. Охлаждение дна осуществляется непосредственно путем теплообмена с окружающей средой, так как температура дна выше температуры окружающей среды. В заданный момент времени путем расширения смеси газа и пара создают пересыщение и регистрируют треки заряженных частиц во всем объеме, Расширение создают резко отпуская предварительно сжатую резиновую грушу, которая сообщается через трубку с объемом камеры.

Таким образом, только выполнение независимого пункта изобретения позволяет

достичь целей, перечисленных в зависимых пунктах. Актуальность поставленных целей определяется возрастающим влиянием радиоактивности (естественной и искусственной) на различные стороны жизни. Формула изоб тения

1. Способ регистрации треков заряженных частиц с помощью конденсационной камеры, заполненной смесью газа и пара и слоем рабочей жидкости на дне, основанный на создании в камере зоны образования треков заряженных частиц - чувствительного слоя и наблюдения треков в ходе регистрации, отличающийся тем, что, с целью увеличения величины чувствительного слоя в объеме камеры, в заданный момент времени понижают давление путем быстрого расширения смеси газа и пара,

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения стабильности чувствительного слоя, между центральной частью дна и его периферией создают градиент температуры.

3. Способ по пп. 1 и2,отличающий- с я тем, что, с целью расширения рабочих температур, в качестве рабочей жидкости используют жидкости и смеси жидкостей с различными температурами кипения из ряда: ацетон, метиловый спирт, этиловый спирт, бензол, вода, бутиловый спирт, изо- бутиловый спирт, изоамиловый спирт, пиридин, анилин, нитробензол, этилен, гликоль, глицерин, парафин, нафталин, этиловый эфир, ртуть, винилхлорйд.

4. Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью увеличения стабильности чувствительного слоя, по стенкам камеры создают нелинейно изменяющийся вертикальный градиент температуры.

5. Способ по пп. 1-4, отличающий- с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, в обьеме камеры создают электрическое поле.

6. Способ по пп. 1-5, отличающий- с я тем, что, с целью осуществления регистрации треков заряженных частиц в бытовых условиях, охлаждение камеры осуществляют окружающей средой.

7, Способ по пп. 1-6, отличающий- с я тем, что, с целью раздельной регистрации треков частиц, образующихся при распаде дочерних продуктов радона,

содержащихся в воздухе, уменьшают время их нахождения в чувствительном слое за счет увеличения градиента температуры и скорости конвекции до величины меньшей времени жизни RaA.

8. Способно пп. 1-7, отл ича ющий- с я тем, что, с целью регистрации радиоактивных продуктов, осажденных из воздуха, регистрируют электрические импульсы от альфа-частиц с помощью ППД, помещенного на дне камеры.

9. Способ по пп. 1-81 отличающий- с я тем, что, с целью спектрометрии заряженных частиц, треки регистрируют с помощью ППД, размещенного на дне камеры, по электрическим и световым импульсам на его выходе.

10. Способ по пп. 1-9, отличающий- ся тем, что, с целью получения изображения в рентгеновских лучах, облучают стенку ка- меры коротким импульсом рентгеновского излучения и регистрируют треки, образованные электродами, эмитированными с поверхности. 11. Способ по пп. 1-10, от л ича ющи й- с я тем, что, с целью регистрации изображения излучающего объекта, в объем камеры выше чувствительного слоя помещают эмиттер из заранее выбранного вещества и между эмиттером и дном камеры создают электрическое поле.

12. Способ по пп. 1-11, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения изображения излучающего объекта, радиус г кривизны эмиттера выбирают из соотношения R/r 10-Ю7, где R - характерный размер дна камеры.

13. Способ по пп. 1-12,отл ича ю щи й- с я тем, что, с целью измерения радиоактивности различных материалов, нагреваемую поверхность в катере поддерживают при температуре выше температуры конденсации рабочей жидкости и пробу размещают вне чувствительного слоя.

Использование: трековая техника регистрации заряженных частиц. Сущность изобретения: предложен способ регистрации треков заряженных частиц с помощью кон- денсационной камеры, заполненной смесью газа и пара и слоем рабочей жидкости на дне, основанный на создании в камере благодаря разности температур между дном и крышкой зоны образования треков заряженных частиц - чувствительного слоя ( и наблюдении треков в процессе регистрации. Для увеличения величины чувствительного слоя в объеме камеры понижают давление путем быстрого расширения смеси газа и пара, в результате чего происходит охлаждение смеси и увеличение пересыще- ния по всему объему камеры. 12 з.п. ф-лы.