Способ регистрации заряженных частиц Советский патент 1993 года по МПК G01T5/04 

Предполагаемое 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, ис- /юльзуемых в качестве учебных пособий по курсу физики в средней школе и ВУЗах.

Целью предполагаемого изобретения является создание способа регистрации заряженных частиц, устойчивого к изменению давления, природы и молекулярных весов газами пара, а также температуры дна и крышки путем создания по стенкам камеры возрастающего по направлению сверху вниз градиента температуры. Осуществление способа позволяет создавать камеры для наблюдения треков заряженных частиц при решении ряда актуальных задач, перечисленных далее.

Указанная цель достигается тем, что в камере, заполненной смесью газа и пара, создают поток пара от нагреваемого источника к охлаждаемому дну, согласно изобретению по стенкам сосуда устанавливают

возрастающий по направлению сверху вниз градиент температуры, устанавливают температуру дна ниже температуры конденсации пара, нагревают крышку выше температуры конденсации пара.

Кроме сформулированного пункта заявляемый способ имеет зависимые пункты, характеризующие способ в частных случаях его выполнения.

Весьма важной задачей в настоящее время является разработка методов определения концентрации радона в атмосферном воздухе. Предлагаемый способ позволяет решить эту задачу. Для этого предлагается дополнительно к независимому признаку способ, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности измерения радиоактивности газов (и в частности радона) температура дна поддерживается выше температуры конденсации исследуемого газа.

В атмосферном воздухе и воздухе рабочих помещений радон всегда находится вместе со своими дочерними продуктами. Раздельная регистрация радона и его продуктов распада является актуальной задачей, так как их действие на организм человека при их вдыхании существенно различны. Предлагаемый способ позволяет решить эту

Ё

00

(Л

о о

со

дачу. Для этого с целью раздельной регистрации треков частиц, образующихся при распаде дочерных продуктов радона, содержащихся в воздухе, смещают продукты распада в чувствительный слой электрическим полем и уменьшают время нахождения продуктов распада радона в чувствительном слое (за счет увеличения градиента температуры) до величины, меньшей времени жизни RaA.

В ряде случаев желательно осуществлять способ наблюдения заряженных частиц в бытовых условиях, когда использование дополнительного охлаждения с помощью специальных реагентов или устройств затруднено. Предлагаемый способ позволяет создать в камере устойчивый чувствительный слой, в котором наблюдают треки заряженных частиц лри установлении температуры дна (за счет охлаждения окружающей средой) выше температуры окружающей среды и поддержании температуры крышки выше температуры конденсации пара. При этом следует использовать смесь двух взаимно растворяющих жидкостей с различающимися более чем на 30°С температурами кипения (например, вода и глицерин, вода и сликояь, нитрабен- зол- бензол).

Весьма актуальной является задача спектрометрии газообразных радиоактивных продуктов, имеющих электроотрицательные примеси. Спектрометрия газообразных радиоактивных продуктов может быть осуществлена с помощью предлагаемого способа. Для этого следует треки, образовавшиеся в газе, смещать электрическим полем в чувствительный слой и с помощью ФЭУ (или ППД) измерять интенсивность рассеянного треками света. Так как интенсивность рассеянного треками 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:

G целью упрощения осуществления способа по независимому признаку температуру центральной части дна поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна. Это ориводит к тому, что упругость насыщенного пара вблизи стен будет больше, чем вблизи центральной части дна.

Теоретически установлено, чтр температурное распределение в горизонтально расположенном слое газа и пара, заключённом между двумя плоскостями, одна из которых (верхняя) имеет более высокую температуру, чем вторая (нижняя) близко к линейному.

В реальной камере горизонтальный слой таза и пара ограничен стенками. Для осуществления чисто диффузионного переноса пара от нагреваемой поверхности к

охлаждаемой необходимо, чтобы температура смеси газа и пара в любом горизонтальном сечении была бы постоянна. Отсюда следует, что температурное распределение в диффузионной камере по стенкам камеры

и в объеме должно быть одинаковом в соответствии с теорией - линейно. Исходя из этих соображений было спроектировано и создано большое число различных типов диффузионных камер.

О - - ; .: . . - .

Нами экспериментально установлено, что в диффузионной камере с линейным распределением температуры при конденсации капель возникают местные конвекционные

0 токи из-за выделения тепла при конденсации. Это нарушает стабильность чувствительного слоя. Изменение условий облучения обьема камеры приводит к увеличению нестабильности чувствительного

5 слоя в результате чего диффузионные камеры применяются обычно только для регистрации небольшого числа частиц, проходящих через объем камеры: в течение коротких промежутков времени. Такие усло0 вия осуществляются при работе диффузионной камеры совместно с ускорителями частиц, или с другими импульсными йсточ никами излучений. Для непрерывной регистрации заряженных частиц, например, от

5 радиоактивного источника режим работы диффузионной камеры с линейным или близким к линейному градиенту температуры непригоден.

Было экспериментально установлено,

0 что для того, чтобы увеличить стабильность работы камеры необходимо создать по ее стенкам увеличивающийся сверху вниа градиент температуры: При этом в каждом горизонтальном сечении камеры температура

5 вблизи стенок будет превышать температуру смеси газа и пара в объеме камеры. Это приведет к тому, что вблизи стен камеры

смесь газа и пара будет двигаться снизу вверх, а в основном объеме сверху вниз.

0 Эксперименты показали, что тонкий слой газа и пара вблизи стен движется снизу вверх, а основная масса газа и пэра смещается ко дну камеры сверху вниз. В таком режиме работы вблизи дна устанавливается

5 устойчивый чувствительный слой, в котором происходит регистрация заряженных частиц и образование треков благодаря конденсации капель на ионах. Эксперименты показывают, что при градиенте температуры вблизи дна меньше 3°см стабильность

работы камеры уменьшается (П. 10 формула изобретения).

Скорость движения газа в камере регулируется путем изменения величины градиента температуры вблизи дна и путем увеличения разности температур в горизонтальных сечениях камеры между центральной частью камеры и ее стенками. При увеличении скорости движения газа возрастает устойчивость режима работы камеры, увеличивается ионная нагрузка (число частиц, регистрируемых в единицу времени), уменьшается высота чувствительного слоя и уменьшается время нахождения трека в объеме камеры.

Обычно в качестве источника пара используют пористые пластины, которые благодаря капиллярному эффекту поднимают рабочую жидкость со дна камеры в верхние сечения (Авторское свидетельство № 100.754 (1952) на имя Ляпидевского В.К.). Такой, непрерывно действующий источник пара позволяет поддерживать постоянство рабочей смеси в течение длительного времени, пока поддерживается неизменный тепловой режим камеры. Если камера негерметична, то состав рабочей смеси устанавливается в соответствии с парциальными давлениями паров, находящихся в атмосфере, и при их постоянстве также не изменяется со временем.

Существование движения газа и пара в камере с нелинейным (возрастающим сверху вниз) градиентом температуры позволяет использовать это движение газа и пара для переноса пара в чувствительный слой, используя в качестве источника пара поверхность жидкости, налитой на дно камеры. Согласно п.9 формулы изобретения, центральную часть дна камеры поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна. При этом находящаяся вблизи стен при более высокой температуре жидкость испаряется, ее пары увлекаются потоком газа, движущегося вдоль стен в верхние сечения камеры и затем, основным центральным потоком, вниз к центральной части дна,, которая имеет более низкую температуру. Вблизи центральной части дна пары охлаждаются и образуют область пересыщенного пара в которой регистрируют треки заряженных частиц.

Экспериментально определено, что выполнение первого независимого пункта формулы изобретения, а именно: создание по стенкам камеры возрастающего сверху вниз градиента температуры позволяет, установить в обьеме камеры движение смеси газа и пара, благодаря которому вблизи дна камеры возникает область пересыщенного

пара - чувствительный слой, в котором регистрируют треки заряженных частиц. Весьма важно подчеркнуть, что выполнение п.1 формулы изобретения, позволяет получать пересыщенный пар практически любой жидкости. Согласно законам термодинамики пересыщение, необходимое для образования капель на ионах, выражается

10

формулой

4т Ґ8лг

где г - радиус капли, а- коэффициент поверхностного напряжения, р - плотность жидкости, Т - температура пара, ц - молекулярный вес пара, R - газовая постоянная, е - заряд электрона. Видно, что никаких

термодинамических ограничений на природу жидкости, которая может быть применена для получения необходимого для регистрации треков пересыщения не-суще- ствует. Выбор рабочей жидкости определяется только удобством ее применения при применении заявляемого способа для решения конкретных задач. Основными факторами, влияющими на выбор рабочей жидкости является ее безопасность в применении и температуре кипения - Т. Температура кипения жидкости в значительной мере определяет собой рабочие температуры дна и крышки камеры. Чем выше температура кипения жидкости, тем больше

должна быть температура дна и крышки для получения требуемого пересыщения. Так, например, применение в качестве рабочих жидкостей ацетона, метилового спирта, этилового спирта, эфира и их смесей требует

охлаждения дна до температур -40 -80°С при температурах крышки -5 - 15°С.

Для работы при более высоких температурах требуются жидкости с большей температурой кипения, например, как указано в

работе высокотемпературные, высокомолекулярные спирты из ряда: бутиловый спирт - , пиридин - Тк 156,2, этиленгли- коль ,3, глицерин - . Наиболее доступны и удобны в применении смеси

спиртов с водой, например, смесь глицерина с водой. Это обусловлено тем. что состав такой смеси можно изменять произвольно, т.е. содержание одного из компонент можно изменять от нуля до 1. Соответственно этому изменяют и парциальное давление пара одного из компонент смеси. Кроме упомянутых жидкостей применялись также ацетон, бензол, эфир, вода, анилин, парафин, пары нафталина, камфор-ы. Как уже упоминалось , лючпя жидкость и пары любого гчпцества

M..;I ут быть использованы для получения необходимого для образования новой фазы (жидкой или твердой) на ионах в пересыщенном паре. Так например, при температуре ниже -50°С в камере, заполненной воздухом и парами воды, наблюдались треки заряженных частиц, состоящие из кристалликов льда. Треки заряженных частиц, состоящие из кристалликов льда под действием сил тяжести опускаются на дно и могут сохраняться длительное время, это позволяет регистрировать интегральный эффект, т.е. накопление большого числа треков, осевших на дно камеры в течение длительного времени.

Такой же эффект при более0 высоких температурах {выше комнатной) наблюдается при использовании в камере воздуха и паров парафина.

Достаточно широкий диапазон рабочих температур можно получить, если взять две взаиморастворимые жидкости с различающимися более чем на 30°С температурами кипения. Это требование зафиксировано в П.6 формулы изобретения. Во всех случаях температура дна поддерживается ниже температуры конденсации пара, Регистрация треков происходит и результате конденсации пара на ионах и образования капель жидкости (или твердых частичек), которые оседают на дно. Для того, чтобы этот процесс проходил, необходимо, чтобы температура дна камеры была ниже температуры конденсации пара. Это условие содержится в П.2 формулы изобретения.

Температура крышки камеры поддерживается выше температуры конденсации пара, заполняющего объем камеры, для того, чтобы предотвратить конденсацию пара на поверхности прозрачного окна через ко- трое ведется наблюдение и регистрация треков. Конденсация пара на поверхность прозрачного окна ухудшает условия наблюдения, поэтому ее следует предотвратить, как это указано в п.2 формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ регистрации заряженных частиц с помощью конденсационной камеры, заполненной рабочей средой, основанный на создании в камере зоны образования треков заряженных частиц чувствительного слоя и наблюдении треков в ходе регистрации, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности измерения путем стабилизации степэни пересыщения пара в чувствительном слое, вдоль стенок камеры создают возрастающий сверху вниз градиент температуры.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что возрастающий сверху вниз градиент температуры создают путем поддержания температуры дна ниже, а температуры

крышки камеры выше температуры конденсации пара.

3.Способ по пп.1 и 2,отличающий- с я тем, что, с целью наблюдения треков заряженных частиц, образованных радиоактивным газом, исследуемый газ используют в качестве компонента рабочей среды, а температуру дна камеры устанавливают выше температуры его концентрации.

4. Способ по пп.1-3, о тличающий- с я тем, что, с целью раздельной регистрации треков заряженных частиц, образующихся при распаде радона и его дочерных продуктов, содержащихся в воздухе, продукты распада радона в воздухе смещают в чувствительный слой электрическим полем, увеличивают в объёме камеры вблизи дна градиент температуры путем нагрева, причем нагрев прекращают после достижения

условия ТКЭА Тп, где Трад - время жизни R3A, а Тп - время нахождения продуктов распада в чувствительном слое, которое определяют по времени существования трека в чувствительном слое.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации способа, устанавливают температуру дна выше температуры окружающей среды.

6.Способ по пп.1-5, отличэющийс я тем, что, с целью расширения области

рабочих температур, в качестве компонента рабочей среды используют смесь взаиморастворяющихся жидкостей с различающимися более, чем на 30°С температурами кипения.

7.Способ По пп.1-5, отличающий- с я тем, что в качестве компонент смеси используют жидкости из ряда: ацетон, вода, анилин, глицерин.

8. Способ по пп.1-7, отличающийс я тем, что, с целью спектрометрии заряженных частиц, треки наблюдают путем регистрации с помощью ФЭУ рассеянного на них зондирующего света и осуществляют

амплитудный анализ импульсов с ФЭУ.

9; Способ по пп.1-8, отличэющий- с я тем, что, с целью упрощения реализации способа, центральную часть дна камеры поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна.

10. Способ по пп.1-9, отличающий- с я тем, что вблизи дна создают градиент температуры не менее 3°С.

Использование: регистрация заряженных частиц, радиометрия газов. Сущность изобретения: в конденсационной камере, заполненной рабочей средой, в которой создают зону образования треков заряженных частиц - чувствительный слой, вдоль стенок камеры создают возрастающий сверху вниз градиент температуры. 9 з.п. ф-лы.