Способ выбора параметров детекторов,используемых при идентификации продуктов ядерных реакций по величине удельной ионизации и полной энергии Советский патент 1989 года по МПК H01J47/02 

1

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике. .

Для решения широкого класса задач путем идентификации продуктов ядерных реакций по величине их.удельной ионизации и полной энергии с помощью детектора для измерения ионизационнызс потерь (йЕ) анализируемых продуктов при прохождении их через этот дете;к- . тор (ионизационную камеру или тонкий . полупроводниковый детектор) требует-

ся обеспечить достаточно хорошее разрешение как по массе, так и по энергии, особенно для изучения пря мых ядерных реакций на тяжелых ионах, в результате которых образуются изотопы с массой, изменяющейся в широг : ком диапазоне.

Согласно известному способу разделения продуктов ядерных реакций, импульсы с детекторов телескопа, используемых для измерения иониэационных потерь и оставшейся энергии (Е - ЛЕ), подаются для регистрации их в многомерный анализатор. При реализации этого способа с целью исключения вклада в разрешение Е-детектора, возникающего из-за разброса энергий в результате прохождения анализируемого изотопа через /3 Е-детектор, и восстановления его энергии используют элект1 онную схему суммирования. Так как с точностью до логарифма удельная ионизация изотопа

dE/dx BMZ2/E

(1)

(где В - const; М - массовое число из(топа; Z - его зарядовое число; Е - энергия изотопа перед входом в Е-детектор), то в результате на плоскости анализатора, на которой по оси абсцисс откладывается SE, а по оси ординат Е, получают гиперболы, соответствующие различным изотопам

(2)

Е,Е

MZ2

Подбор разрешений по массе и энергии ведется полуэмпирическим способом в калодом слзгчае с большой затратой дорогостоящего циклотронного времени. Такой подбор основных параметров детекторов практически исключает полную реализацию всех возможностей способа.

Цель изобретения - расширение возможностей способа выбора параметров детекторов, используемых для, разделения продуктов ядерных реакций по методике (4Е,Е) при минимальной потере информации об их энергетических спекTpSx и для получения детальной информации об отдельных участках этих спектров при изучении механизма гфямых ядерных реакций и при анализе структуры ядер с помощью таких реакций.

Цель реализуется выбором такой толщины детектора для измерения удальной ионизации, чтобы потеря энергии анализируемого изотопа при прохождении через детектор была равна следующей величине

--М.(1

Е - Е 1 - о(М2 83,5

™)Г,

р Хгшка) i-nf-- -

J. и K.gjP inV д

где Е - энергия изотопа перед входом в этот детектор, соответствующая максимальной энергии анализируемого спектра; М - массовое его число; I средний потенциал ионизации атомов вещества такого детектора; 1 - задаваемое относительное расстояние между центрами тяжести распределений

Q ионизационных потерь соседних изотопов для одной и той же начальной энергии их, которое в случае равенства двум соответствует практически полному разделению этих распределе5 НИИ, а при равенстве единице - практически полному слиянию их; о - относительное ухудшение разрешения по энергии такого детектора из-за конечной величины расходимости пучка анаQ лизируемык продуктов ядерных реакций, качества детектора и т.д.; R относительное разрешение по энергии детектора, используемого для измерения оставшейся энергии изотопа, который выбирают с таким относительным разрешением по энергии, чтобы оно было меньше величины (1/1М/2).

От разрешения по энергии ЛЕ-детектора зависит идентификация продуктов реакций по методу (4Е,Е). Она определяется в основном статистическими флюктуациями ионизационных потерь заряженных частиц при прохожде- . НИИ их через детектор. На оснований формулы Бете-Блоха для средней потери энергии на единицу пути для частиц тяжелее электрона в нерелятивистском случае; формулы для средне-квадратичной флюктуации потерь энергии для

Q таких частиц приусловии

ЛЁ О, IE

(3)

а также с соотношения между шириной на половине высоты распределения ионизационных потерь и среднеквадратичной флюктуацией в случае, когда такое распределение близко к кауссовскому, можно получить .следующую зависимость относительного разрешения по энергии для 1Е-детектора

МЛЕ l - (/1Е/2Е)

«ln()

1П

(4)

Так как Е/М по гиперболе для одного и того же изотопа с (М, Z) на 54 плоскости (ЛЕ,Е) изменяется быстрее, чем ln(), а АЕ увеличивается при уменьшении Е/М, то, как еледует из (4), разрешение по гиперболе улучшается в сторону уменьшения Е/М до тех пор, пока вклад в разрешение от эффекта перезарядки еще мал Следовательно, достаточно обеспечить разрешение по массе по методике (4Е,Е) при максимальном значении Е/М. Тогда выбор разрешения будет определяться только dE, т.е. давлением газа в случае ионизационной ка- 15 и с меры или толщиной полупроводникового ЛЕ-детектора. Расхождение эксперимента с расчетами по формуле (4) согласуется с различием пробегов частиц в чувствительном объеме камеры из-за конечного телесного угла и натяжения майлар в окнах камеры. Следует учесть, что при получении формулы (4) с целью сохранения удобного аналитического , вида ее не полностью учтено изменение скорости частицы вдоль ее пути. Поэтому отличие значений, рассчитанных по формуле (4), от численных рас четов Чэлера точного кинематического уравнения для флюктуации ионизационных потерь, выполненных с помощью вычислительной машины, составляет 0,96 ()) 0,9 , (5) В интересующем нас интервале О (4Е/Е) 0,5 И, следовательно, формулу (4) прак тически можно использовать для выбор необходимого разрешения для Е-детектора по методике (4Е,Е) в указанном диапазоне изменения ЛЕ/Е. Так как всегда экспериментальное разрешение Л Е-детектора хзже теоретического из-за конечной величины расходимости пучка анализируемых продуктов ядерных реакций, формируемого с помощью коллиматоров,.и неидеального качества детектора, то в формулу (4) следует ввести коэффициент of, учитывающий ЭТО обстоятельство -(ЛЕ/2Е)х .„( I 1„)5« (6) 0 Rjjf (расходимость пучка, качество детектора) рассчитаьгеается в каждом конкретном случае с достаточной точностью, так как геометрия эксперимента заранее известна, а отклонение качества -dE-детектора от идеального заранее измеримо. Определим отношение , при котором наступит разделение распределений ионизационных потерь двух соседних изотопов с (М, Z) и (M+I,Z) одинаковой начальной энергией Е при у-словии, что разрешение по энергии Е-детектора и толщина по энергии Е-плоскости анализатора равны нулю, а также используется схема суммирования. Для простоты заменим распределение ионизационных потерь изотопа равнобедренным треугольником таким образом, чтобы совпадали их высоты и пш- рины на половине высоты, что практически выполнимо с достаточной точностью. Возьмем худший случай, когда интенсивности распределений двух соседних изотопов одинаковы. Тогда, если 1 ЛЕ(М+1) - E(M)0/J (М), (9) где ЛЕ(М) и ЛЕ(М+1) - энергии центР° тяжести распределений ионизационных потерь соседних изотопов; сГдЕ(М) ширина на половине высоты распредёления изотопа (М, Z), равно единице, то распределения соседних изотопов сольются. В случае же равенства 1 двум эти распределения полностью ра§делятся. Дальнейшее увеличение 1 не приведет к практическому улучшению разрешения по массе, а только увеличит аппаратурный порог по энергии . из-за увехшчения толщины ЛЕ-детектора, что приведет к образованию энергетических спектров этих и более легких изотопов. На основании изложенного легко определить необходимое разрешение по энергии ЛЕ-детектора для разделения распределений двух соседних изотопов, которое следует из необходимого условия (9), где 1 1 в виде уравнения ) сЛдЕ (M)/4Eg(M) 1 /IM (11) И тогда для разделения распределений двух соседних изотопов на основании (4) и (11) толщина JE-детектора дол жна быть такой, чтобы 4Eg/E 1 - 1 ГбГз il r/t чШ)) :ln(- Например в случае Е/М 6,8 МэВ/ ,/нуклон, 1 и 1 2 отношение Е/Е для ионов от до для кремниевого детектора лежит в области --0,07-0,25. Следует отметить, что верхняя гра ница по М в формуле (12) ограничена значением 4Е/Е, при котором вклад в разрешение 4Е-детектора от эффекта перезарядки значителен. Теперь учтем вклад Е-детектора в изотопное разрешениеметодики, так как из-за существования конечной величины его разрешения по энергии будут неразрешены распределения для одного и того же изотопа с энергией от Е до Е + сГ , где ширина рас пределения по энергии на половине высоты. И чтобы сохранить изотопное разрешение (12), нужно увеличить отношение dE/E, т.е. найти такое При котором изотопное разрешение ста нет равным определяемому по формуле (11). Таю как вклад Е-детектора в изотопное разрешение составляет 4Е(М,Е) - /3 Е(М),)(М,Е) Rg где R - относительное разрешение по энергии Е-детектора, то всегда должн выполняться следующее неравенство

RE i(1 /liM).

(15)

В противном случае распределения ионизационных потерь соседних изотопов сольются. Тогда для разделения этих распределений, чтобы сохранить условие (11), необходимо выполнить следующее условие

() R &Е „ (М,Е) + R2

(16)

так как в. случае равенства нарушится обязательное условие (15).

Можно определить разрешение по энергии Е-детектора, при котором его вклад в изотопное разрешение будет 55 минимальным, если

-еЕ/ЛЕ,

(23)

R, Из этого условия получаем п. И окончательно уравнение (12) перепишется следующим образом ,г Л ЕП/ЕЗ 1 (2 In (. IM)Ji И тогда на основании уравнений (15), (16), следует, что для получения изотопного разрешения Е-детектор необходимо выбрать такой, чтобы всегдаJ. а нижняя граница очевидна. В каждом конкретном случае Е-детектор выбирается, исходя из условий экс:периментальной задачи и практичнее-, ких возможностей. Например для интервала изменения до 0,2 в результате разложения в ряд Тейлора (17)получают р ..М- (1 iibpRZ) х1п(-г|н -IM)ч59А из формулы (19), используя ДЕ„/Е C(Ej/E) +, находим, что R2 « R2., ()/(1 -ЕЕ/4Е,,) (20) Е I - Далее, о точки зрения удобства, выбираем (). t + 1 7 1,

9432830,.

(EE//JE) - 1 (24) t ig л Е(2,Е)/Е 2ig Е(М,Е)/Е

Так как для JE/M 7-10 мэВ/нук-Таким образом с помощью вышеопилон /1Е/Е для легчайшего изотопа5 способа можно получить иэо() равно 0,01, то условие (24) топное разрешение при минимальной повьшолнимо при t 0,5. Взяв послед-тере информации по энергии, а также

нее за основу, получим, чтополучить детальную информацию об от дельных участках энергетических спекRp(1/lM)- /5Ep(M,E)/Ej , (25)10 тров анализируемых продуктов ядерных

реакций,

СПОСОБ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ДЕТЕКТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОДУКТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ ПО ВЕЛИЧИНЕ УДЕЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ПОЛНОЙ ЭНЕР.ГИИ, /.отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей способа, детектор для измерения удельной ионизации выбирают такой толщины, чтобы потеря энергии анализируемого изотопа при прохожде—.НИИ через детектор была равна следу-Iющей величинеE-E[l-tc^n^ -/-5-