Устройство для измерения корреляций заряженных частиц Советский патент 1981 года по МПК G01T1/24 

времени измерений с периодическим прерыванием для смены мишени на пучке.

Ближайшим техническим решением к изобретению является устройство для измерения корреляции заряженных частиц, воз-. никающих в ядерных реакциях, содержащее вакуумную камеру, мишени с держателями и регистратор заряженных частиц, состояШий из полупроводниковых детекторов, установленных в горизонтальной плоскости и имеющих возможность радиального и азимутального перемещений относительно центра мишени 12. В центре вакуумной камеры установлен шток, к концу которого крепится кассета с тремя мишенями. Перемещая шток вверх или вниз, можно установить требуемую мишень на пучке.

В камере имеется также пять детекторов, которые можно установить под различными углами к оси пучка. Два детектора могут перемещаться по углу и радиусу з горизонтальной плоскости и управляются дистанционно, а два других, расположенных также в горизонтальной плоскости, закрепляются винтом на нужном расстоянии от центра. Пятый детектор служит для мониторирования проходящего пучка.

Недостатком устройства является невозможность проведения измерений трехмерных корреляций, так как детекторы, включенные на совпадения, располагаются в одной плоскости. Ошибка в измерениях сечений ядерных процессов без учета некомпланарности различна для разных мишеней и -может достигать нескольких десяткО;В троцентов для легких ядер. Это снижает информативность и точность измерений, проводящихся на устройстве. Точность измерений относительных сечений ухудшается еще и из-за необходимости мониторирования пучков частиц, а также из-за изменений режима работы при выключении и включении пучка, связанных со сменой мишени.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном устройстве мишени установлены друг за другом по оси пучка. Каждая мишень снабжена дополнительными полупроводниковыми детекторами, размещенными в плоскости, перпендикулярной к оси пучка и имеющими приспособления для изменения полярного угла и расстояния до центра мишени.

Детекторы, относящиеся к каждой мишени и размещенные в горизонтальной и вертикальной плоскостях, объединены в мозаики и установлены на дуговых основаниях.

Для повышения надежности и быстроты юстировки мозаик полупроводниковых детекторов относительно центров мишеней, основания держателей мишеней выполнены так, что являются связывающим элементом

направляющих для перемещения детекторов в горизонтальной плоскости.

Это позволяет повысить информативность и точность физических исследований за счет одновременного измерения сразу на нескольких мишенях на одном и том же пучке без мониторирования последнего с получением полной пространственной картины корреляций заряженных частиц.

На фиг. 1 представлено предложенное устройство, общий вид; на фиг. 2 - узел крепления мишени в держателе; на фиг. 3- спектры угловых корреляций по полярному углу ф в плоскости, перпендикулярной пучку.

Устройство содержит мишени 1, установленные по оси пучка, с держателями 2, проходящими сквозь базовые отверстия в поворотных рычагах 3 и хвостовиках 4 и закрепленными в опорной плите 5, горизонтальные полупроводниковые мозаики 6 с подвижными стойками 7, вертикальные полупроводниковые мозаики 8 с направляющими 9, ползун 10 с направляюши ли 11, рычажные пальцы 12, рейку 13, привод И, вакуумное уплотнение приводного валика 15, реечную щестерню 16, отсчетное устройство 17, вакуумную камеру 18 (узлы ввода и вывода пучка заряженных частиц на фиг. 1 не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Каждая мищень представляет собой тонкую пленку с нанесенными на нее исследуемым веществом общей толщиной 100- 500 .миг/ам (0,1-0,5 .мкм) и является источником парных осколков деления. Мищени практически не препятствуют свободному прохождению первичного пучка частиц и не изменяют заметно его состава и сечения в пределах длины прибора.

Мишени с помощью держателей 2 юстируются по высоте для совмещения их центра с осью пучка и разворачиваются в держателях 2 на нужный угол относительно оси пучка.,

Регистрация парных осколков деления ведется на совпадение горизонтальными, мозаиками б из полупроводниковых детекторов, расположенными в. горизонтальной плоскости, и вертикальными мозаиками 8, расположенными в вертикальных плоскостях, перпендикулярных оси пучка. Мозаики 6 вместе с подвижными стойками 7 имеют возможность радиального установочного перемещения вдоль верхних направляющих поворотных рычагов 3 и вместе с рычагами-возможность непрерывного дистанционно управляемого перемещения (без нарушения вакуума) вокруг оси держателей 2 и мишеней 1 за счет продольного движения ползуна 10 с рычажными пальцами 12, входящими в нижнюю часть прорези рычагов 3. Оптимальный угол поворота рычагов 3±45° от нулевого положения. Движение ползуна

10 осуществляется с помощью закрепленной на нем рейки 13, реечной шестерни 16 :и привода 14 с вакуумным уплотнением, приводного валика 15 и отсчетного устройства 17. Концевые выключатели к ползуну 10 (на фиг. не показаны) предохраняют двигатель привода 14 от перегрузки при, крайних положениях ползуна 0. Наличие отсчетных устройств 17 позволяет вести дистанционный непрерывный отсчет углов поворота рычагов 3 с мозаиками 6, программировать и автоматизировать с помощью ЭВМ процесс физических измерений. Это Значителнно сакращает дорстхз стоющее время экаперимента, отовышает вго надежность.

Вертикальные мозаики 8 имеют установочные перемещения по радиусу вдоль оси хвостовиков 4 и по дугам окружностей, центры которых совпадают с центрами мищеней 1. Соединение полупроводниковых детекторов мозаик 6 и 8 с наружными электронным;и блоками производится с .помощью стандартных герметичных разъемов, размещенных на боковой стенке вакуумной камеры 18,

Рассмотренная система мозаик, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих непрерывное и дискретное перемещения, образует сферическую систему координат, удобную для замера угловых корреляций осколков деления.

В настоящее время в ЛИЯФ изготовлен и испытан образец предлагаемого прибора угловых, скоростных и энергетических корреляций на 12 мищеней. Испытания подтвердили правильность выбранных конструктивных рещений, удобство работы с прибором и его эксплуатационную надежность, что особенно важно в условиях жесткого регламента работы на ускорителях и высокой стоимости 1 ч работы на пучке.

Проведенные эксперименты по делению ядер протонами с энергией 1 ГЭВ с регистрацией осколков в двух перпендикулярных плоскостях продемонстрировали важность учета перпендикулярной Pj составляющей, появляющейся у делящегося ядра после акта первичного взаимодействия. Дисперсия этой в,ел,ичи1ны 0pj оказалась почти

равной двоперсил зрп -продольной составляющей переданного импульса. Как велика .некомпланарная составляющая от общего числа событий для деления ряда ядер протонами с энергией 1 ГЭВ можно видеть на фиг. 3, где приведены спектры угловых корреляций по углу 1ф в плоскости, перпендикулярной пучку. Эти данные свидетельствуют, .что пренебрежение некомпланарными событиями приводит к ошибке в определение сечения не менее 20% для тяжелых ядер и 40-50% для ядер среднего атомного номера.

Использование принципа одновременности измерений без мониторирования привело к лучшей воспроизводимости результатов от сеанса к сеансу с увеличением точности в среднем на 20%.

Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения пространственных корреляций любых заряженных частиц, пробег которых укладывается в чувствительном слое детектора. Однако преимущества использования этого устройства можно продемонстрировать на примере конкретной ядерной реакции, в качестве которой выберем практически важную реакцию ядерного деления. Отличительной чертой этой реакции является короткопробел ность (10- 20 .м.км) ее продуктов осколков деления. Поэтому для детектирования одновременно обоих осколков необходимо обеспечить их выход из мищеней, откуда следует строго обусловленная малая их толщина (0,1 - 0,5 мкм). Естественно, что малая толщина мишени предопределяет малый выход реакции, т. е. малую загрузку в детекторах и измерительной аппаратуре, что влечет за собой длительность периода измерений для набора заданной статистики. Если измерения производятся со слабоделящимися элементами на пучках заряженных частиц, то, как правило, на облучение одной мишени требуется несколько десятков часов ускорительного времени. Сравнение делимости различных элементов производится путем последовательного во времени облучения нескольких мишеней с периодическим выключением и включением пучка частиц и его мониторированием независимым прибором. Как показывает практика, ошибки мониторирования влияют на окончательную точность получаемых результатов и в значительной степени возрастают при наличии нестабильности пространственного положения пучка, особенно связанной с его невоспроизводимостью после выключения. ; Предлагаемое устройство позволяет ироводить сравнение делимостей (вероятностей ядерных реакций) одновременно для нескольких мишеней без мониторировааия пучка, поскольку все мишени одновременно облучаются одним и тем же пучком частиц. При этом облучение происходит без дополнительных прерываний пучка для замены мишени.

Обшее количество мишеней, располагающихся на пути пучка, зависит от его расходимости за счет рассеяния на мишенях. Малая толщина применяемых мишеней нри этом оказывается положительным фактором, так как общая толщина вещества, например, для 20 мишеней составит величину 10 мкм, что заведомо меньше пробегов практически зсех используемы:; в настоящее Бремя для ускорения частиц.

Использование большого количества мишеней на одном и том же пучке помимо : сравнения сечений ядерных процессов для различных ядер может быть применено для повышения общей статистики для случая малых сечений. При этом несколько или все мишени должны быть приготовлены из того материала, сечение на котором (предположительно весьма малое) хотят измерить. Возможный вопрос о влиянии продуктов ядерной реакции с большим выходом от одной мишени на детекторы соседней мишени, например, с малым выходом, довольно просто решается средством современной радиоэлектроники при удалении мишеней друг от друга на расстояние 3-5 см. При таком удалении мишеней возникающие в них генетически связанные осколки дают временные совпадения с разрешением порядка 10 не в детекторах различных плоскостей, только для «своих мозаик. А общий выход продуктов реакций от тонких мишеней не может создать трудностей для отделения случайных совпадений, если таковые возникнут. Формула изобретения 1. Устройство для измерения корреляций заряженных частиц, возникающих в ядерных реакциях, содержащее вакуумную камеру, мишени с держателями и регистратор заряженных частиц, состоящий из полупроводниковых детекторов, установленных в горизонтальной плоскости и имеющих возможность радиального и азимутальногоперемещений относительно центра мишени, отличаюш,ееся тем, что, с целью повышения точности измерений, мишени расположены друг за другом по оси пучка, причем каждая мишень снабжена дополнительными полупроводниковыми детекторами,,, размещенными в плоскости, перпендикулярной к оси пучка, и имеющими приспособления для измерения полярного угла и расстояния до центра мищени. 2.Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что детекторы, относящиеся к каждой мишени и размещенные в горизонтальной и вертикальной плоскостях, объединены в мозаики и установлены на дуговых основаниях. 3.Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что, с целью повышения надежности и быстроты юстировки мозаик полупроводниковых детекторов относительноцентров мишеней, основания держателей мишеней выполнены в виде связывающего элемента направляющих для перемещения , детекторов в горизонтальной плоскости. Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе; 1.Препринт ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Л.,, № 3, 1969, с. 41-44, 1972. 2.Лукащунаса Н. И. ПТЭ, № 3, 1969,., с. 41-44 (прототип).

и

1500

то

2500

т

оо

I

1 fS

та

504

W т

50 J50

п

« го 30 о

го х(, град Фаг.