СПОСОБ СБОРА СВЕТА В ЧЕРЕНКОВСКИХ ИЛИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ СЧЕТЧИКАХ Советский патент 1974 года по МПК G02B5/24 

1

Для регистрации ионизирующего излучения используются, например, сцинтилляционные или черенкоБСКие счетчики.

При регистрации слабого оптического излучения в СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ или черенковских счетчиках большое значение приобретает задача снижения потерь света на пути от радиатора к фотоприемнику (фотоумножителю). Кроме снижения потерь света, также имеет значение уменьшение числа фотоумножителей, иначе сокран1,ение плош,ади входных окон фотоумножителей, естественно без потери света. Задача транспортировки света от радиатора счетчика к его фотоумножителям решается посредством применения световодов различных типов.

Один из видов световодов - зеркальный янхик (полый сосуд) с отражающими свет внутренними боковыми стенками. Одним торцом такой световод примыкает к поверхности радиатора (если радиатор - твердое вещество) или к стеклу-иллюминатору (если радиатор - жидкость), а на другом торце этого световода располагается фотоприемник (фотоумножитель) . Если радиатором является жидкость или газ, то полость световода может быть заполнена соответствующими жидкостью или газом. Геометрические формы таких световодов различны: это и призмы (параллелепипед, пирамида и т. д.) и фигуры

вращения (цилиндр, конус и т. д.) с внутренней отражающей поверхностью. Выбор формы световода определяется, в частности, видом излучения (изотропное или направленкое). Для изотропного излучения, например, предпочтительнее световод с расширяющимся в сторону фотоумножителя сечением.

Известно явление искривления хода светового луча в среде с переменным значением

показателя преломления. Луч, входящий в слой с большим значением показателя преломления, отклоняется в сторону нормали к границе слоя. Следовательно, если полость световода заполнить средой с переменным

значением показателя преломления, то можно изменить ход световых лучей таким образом,, чтобы достигалось сокращение числа отражений. Например, отражение под более тупыми углами падения и попадание на входное

окно фотоумножителя под более острым углом.

Показатель преломления среды, как правило, возрастает с увеличением ее плотности, что, в свою очередь, может быть достигнуто

изменением температуры среды по ходу светового луча, т. е. созданием в световоде участка с требуемым градиентом показателя преломления за счет охлаждения соответствующего участка световода. Чтобы избежать возникновения в световоде нестабильностей

3

(конвекции), целесообразно световод ориентировать по направлению силы тяжести и охлаждать нижний участок световода.

На фиг. 1 представлена схема распространения светового луча в среде с градиентом показателя преломления. Здесь:

И - источник света,

И А - луч света, претерпевающий рефракцию,

ВОФ - входное окно фотоумножителя,

А - точка входа луча И А в фотоумножитель,

В - точка входа в фотоумножитель луча в отсутствии рефракции.

Радиус кривизны луча R в среде с градиентом показателя преломления определяется известным выражением

1 grad п

- Sin i

R

где

п - показатель преломления, i - угол входа луча в среду. Если угол i стремится к О, то . Если

t -К90°, ТО - ,

где иин -

grad п

Из фиг. 1 видно, что в случае расиространения света в среде с градиентом показателя преломления можно собрать свет, вышедший в заданном телесном угле на плошадке ВОФ меньшего размера, чем в случае распространения света в однородной среде, или, если задан размер ВОФ, то можно собрать свет, испущенный в большем телесном угле.

На фиг. 2 представлена схема распространения луча света в среде с градиентом показателя преломления, заключенной в ящик с плоскопараллельными зеркальными стеиками. Из фиг. 2 видно, что луч света вследствие рефракции входит в ВОФ иод более острым углом падения, чем луч в отсутствии рефракции.

: Следовательно, согласно формул Френеля, потери света на входной поверхности фотоумножителя (ВОФ) будут меньше, чем в случае отсутствия в световоде градиента показателя преломления.

Если световод с зеркальными стенками заполнен средой с градиентом показателя преломления, то лучи света будут попадать на отражающие грани под большими углами падения, чем в случае однородной среды, и, следовательно, потери света будут меньше. Для длинных световодов возможен эффект за счет сокращения числа отражений в среде с градиентом показателя преломления, которое будет иметь место только для некоторого интервала углов испускания света.

Связь, между показателем преломления и плотностью среды описывается, например, уравнением Лорентц-Лоренца

«2.

г:: Ло

п + 2

где р - плотность, а А - константа, характеризующая вещество.

Из этого уравнения следует следующее соотношение между приращением показателя преломления и изменением плотности среды:

А/г (п + 1)() Д

Например, для водорода при давлении 1 ата имеем ,08987 г/л и п 1,0001384 при Т 300°К и ,25 г/л и п 1,001928 при

Т .

Следовательно, перепад значения показателя преломления ,0018. Если такой перепад показателя преломления имеет место на длине 20 см, то grad л Дп/1 0,0018/20 см и

м.

Из приведенной оценки видно, что весьма незначительное изменение показателя преломления приводит к вполне заметному искривлепию хода светового луча.

Существует несколько возможностей достигнуть более значительных градиентов показателя преломления. Например, подбор подходящего значения давления газа; применение смеси газов с тем, чтобы достигнуть не только градиепта плотности, но и градиента концентрации отдельных компонентов смеси; применение жидкости с паром вблизи критического давления пара и критической температуры в зоне раздела фаз с тем, чтобы достигнуть более плавного изменения показателя преломления при переходе из паровой фазы в жидкую; применение, растворов солей в

жидкостях.

Улучшению условий светосбора и транспортировки света могло бы способствовать применение нескольких слоев с градиентом показателя преломления на пути распространения света или неоднократное прохождение одного градиентного слоя. В этих случаях неизбежны потери света на границах раздела и отражающих поверхностях, которые следует учитывать.

Предложенный способ сбора света от радиатора и трапспортировки его к фотоумножителям посредством полого световода с

внутренними отражающими стенками отличают наличие в полости световода газообразной, жидкой или частично жидкой и частично газообразной среды с градиентом температуры по ходу направления света к фотоприемпику, увеличивающего плотиость среды в сторону фотоприемника. В качестве среды предлагается применять газы, смеси газов, жидкость с паром при давлении, близком к критическому и температурой на границе раздела фаз, близкой к критической, жидкость и ее пар в смеси с газом, смеси жидкостей и растворы солей Б жидкостях. Среды с одномерным градиентом показателя преломления искривляет любой наклонный луч света до тех пор, пока он не приблизится по направлению к направлению градиента показателя преломления, после чего луч света распространяется только по направлению градиента. В идеале это свойство слоя с одномерным градиентом показателя преломления приводит к тому, что изотропное излучение может быть преобразовано в параллельный пучок света. Предмет изобретения Способ сбора света в черенковских или сцинтилляционных счетчиках с применением полых световодов с внутренними отражающими стенками, заполненных жидкой или газообразной средой, отличающийся тем, что, с пелью повышения эффективности светосбора, этой среде путем нагрева участка световода вблизи радиатора и охлаждения участка вблизи фотоприемника создают градиент температуры, увеличивающий показатель преломления среды по направлению к фотоприемнику.

p,i

Р Г

1

f-1

ВОФ /