Ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов Советский патент 1980 года по МПК H01J39/34 

1

Изобретение относится к технике детектирования и измерения энергий электронов и гамма-квантов.

В изобретении усовершенствуется один из видов спектрометров электронов и гамма-квантов, а именно ливневый спектрометр полного поглощения.

Известны различные спектрометры, предназначенные для регистрации ядерных излучений 1.

Ближайшим к заявляемому является ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов, содержащий слои вещества-конвертора и датчики числа вторичных частиц ливня 2.

Энергия первичной частицы определяется по числу вторичных частиц ливня, которые регистрируются ионизационными камерами или газовыми пропорциональными счетчиками.

Недостатком этих спектрометров является большое время срабатывания (1 1 мкс), связанное со скоростью дрейфа электронов в газах ( см/с) Другим их недостатком является то, что такие спектрометры имеют низкий коэффициент разделения электроннофотонных и ядерных ливней, поскольку адроны в ядерных ливнях имеют

такую же или большую ионизующую способность, что и вторичные электроны в электронно-фотонных ливнях. Кроме того этим спектрометрам присущ эффект насыщения, выражающийся в том, что при болыпом .числе ионизующих частиц в ливне, что соответствует большой энергии .первичной частицы, нарушается линейность между энерги10ей ливня и выходным сигналом спектрометра.

Цель изобретения - -увеличение быстродействия, улучшение разделения электронно-фотонных и ядерных

15 ливней и расширение диапазона измеряелих энергий в область сверхвысоких энергий ,

Поставленная цель дости1ается тем, что спектрометр содер хит детек20торы числа вторичных частиц ливня, выполненные в виде вакуумных конденсаторов, соединенных с источником высокого напряжения и измерительным устройством, например, анализатором

25 импульсов. При этом электроды электрически изолированы от слоев конвертора а между электродами создано электрическое поле с помощью внешнего источника напряжения. Электроды могут быть расположены либо приблизительно параллельно продольной оси спектрометра, совпадающей с направлением движения первичной частицы (продольное расположение), либо приблизительно перпендикулярно к ней (поперечное расположение). В послед нем случае вещество электродов может одновременно служить конвертором для развития ливня. Расстояние между электродами выбирается того же порядка или больше, что и поперечные размеры ливня в спектрометре Число вторичных частиц ливня измеря ется по наведенному на электродах заряду, вызванному движением заряже ных частиц вдоль направления электрического поля. На фиг. 1 приведена схема предла гаемого спектрометра с продольным расположением электродов; на фиг. 2 схема спектрометра, вариант выполне .ния. Спектрометр содержит слои 1 вещества-конвертора, электроды 2, вакуумный кожух 3, клемму 4 для присо динения к источнику высокого напряжения, высоковольтный ввод 5, резистор 6, с которого снимается выходной сигнал, электрод-конвертор 7, высоковольтный электрод 8, ввод 9 высоковольтного электрода и клем му 10 для подачи высокого напряжения . При попадании электрона или гамма-кванта в спектрометр в слоях 1 конвертора развивается электроннофотонный ливень. Заряженная компонента ливня состоит из электронов и позитронов, число которых равно друг другу. Электроны и позитроны, попадая в зазор между пластинами 2, под действием электри ческого поля отклоняются в противо положные стороны: электрон - в сто рону положительно заряженной пласти ны, позитрон - в сторону отрицател но заряженной пластины. При этом н пластинах наводится заряд и в цепи резистора 6 возникает сигнал, кото рый затем усиливается и анализируе ся обычными электронньши схемами. Расчет ожидаемой величины сигна ла при различных энергиях первично частицы производится следующим образом. Пара металлических пластин, на которые подано напряжение U, предст ляет собой заряженный .плоский конденсатор. Частица с зарядом е , движущаяся в направлении электриче кого поля , создает на обкладках разность потенциалов: де Хр - расстояние, пройденное частицей в направлении поля 8 (в данном случае перпендикулярно пластинам) d- расстояние между пластинами ; С - емкость конденсатора. Из формул электростатики получам:ч - &fet (ъ с cose де f - диэлектрическая постоянная среды; d - ширина пластины; d - длина пластины; m - масса частицы; скорость частицы; 0 - угол между направлением движения частицы в момент ее выхода из конвертора и осью спектрометраi Объединяя формулы (1) - (4), поучим:femcla (p)ccos0) Согласно теории каскадных ливней (2) полное число частиц в ливне N, исло частиц в максимуме ливни Мууох исло частиц с кинетической энергий меньше Е (Nj) и средний угол мноократного рассеяния d для тяжелых лементов и больших углов равны сответственно:) ,i кр г /F об (-) где Ед - энергия первичного электрона или гамма-кванта; Е - критическая энергия BenjecTва конвертора. - Из формул (8) и (9) следует,что коло 80% частиц ливня имеют энергию меньше критической и рассеяны а угол ±80°, т.е. выходят из конвертора практически изотропно. Для упрощения расчетов предполоим, что первичные частицыидут в зком пучке вдоль осевой инии спектометра, а в паре вторичных частиц электрон-позитрон обе частицы выходят из конвертора в одном направлении. Выбирая размеры Й-в - 20 см, 6 10 см,число промежутков 20 и напряжение на электродах 200 кВ, ;получим следующую величину сигнала {суммированную по всем промежуткам для различных энергий первичного электрона или гамма-кванта: ЕЭВV мВ ;s«0.3 Для усилителей с входным каскадом на полевом транзисторе уровень собственных шумов и собственная емкость составляет соответственно 5 мкВ и 2 пФ (3). При 20 промажут ках суммарный шумовой сигнал состав ляет ,1 мВ. Отсюда следует, что сигнал от электронно-фотонного ливня можно уверенно регистрировать, начиная с энергии первичной частицы в (2-3) 1.0 эВ (200-300 ГэВ) . В случае расположения электродов перпендикулярно оси спектрометра (поперечное расположение) заряд на пластинах будет наводиться за счет того, что при попадании в зазор меж ду электродами, частицы с одним зна ком заряда будут ускоряться, а с пр тивоположным - тормозиться. Максимальная величина наведенного заряда сигнала будет соответствовать случаю, когда одна частица заворачи вается назад электрическим полем. Это условие выполняется, когда энер гия частицы,выраженная в электронвольтах, меньше разности потенциалов между пластинами, выраженной в вольтах. Считая, что в среднем частицы вылетают из конвертора под углом 45°, получим, что оптимальное соотношение между размерами электро дов площадью и расстоянием меж ду электродами d будет Q - Ъ-3d. По-г скольку .при таком соотношении разме ров емкость С будет примерно на порядок больше, чем при продольном расположении электродов, данную кон фигурацию целесообразно применять, когда конвертор выполнен в виде одного слоя, толщина которого ссютвет ствует максимуму каскгщной кривой. Поскольку сам конвертор может служить электродом, конструкция спект- рометра существенно упрощается (фиг. 2). Пользуясь формулами, приведенными выше, и выбирая размеры с d 10 см, и - 20 кВ, получим следующую величину сигнала для различных энергий первичной частицы: ,2 . Из формулы (5). .следует, что вели чзина сигнала обратно пропорциональн массе частицы т.Масса . наиболее лег го сщрона (пиона) приблизительно в 300 раз больше массы электрона, поэтому адроны, как фонового происхож дения, так и возникшие в результате ядерных взаимодействий s веществе конвертора, практически не будут регистрироваться. Время t нарастания сигнала определяется временем пролета частиц через спектрометр и при длине промежутка 10 см составит А 1 не для одного промежутка U- 6 не для 20 промежутков (в последнем случае -fc определяется наиболее энергичными частицами, ливня, для которых Р)С ). Мертвое время зависит от схем усиливающей и анализирующей электроники и может быть сделано 10 не. Отметим, что величина сигнала пропорциональна напряженности электрического поля f . Электрическая прочность вакуума при расстояниях между электродами порядка десятков сантиметров позволяет создавать поля напряженностью - 100 кВ/см. При наличии соответствующих высоковольтных источников,, можно получить сигнал V на два порядка больше, чем приведенных выше расчетах, где принималось -1 кВ/см. Таким образом предлагае1 ий спектрометр обладает быстродействи.ем имп/с, лишен эффекта насыщения, присущего ионизационным приборам, что позволяет расширить область изм.еряемых энергий в область сверхвысоких энергий и обладает повышенной способностью разделения электроннофотонных и ядерных ливней. Спектрометр может быть применен в экспериментах на пучках электронов и гамма-квантов с энергией ГэВ на ускорителях и для регистрации электронов и гамма-квантов космичес-. кого происхождения. В последнем случае особенно важно иметь простые и ) дешевые спектрометры, покрывающие большие площади (порядка сотен кващратных метров). Спектрометр может также использоваться в сочетании с другими детекторами космических лучей, например, сендвичами из слоев свинца и рент.геновских пленок. Спектрометр также может быть применен в планируемых экспериментах по регистрации нейтрино йа расстоянии примерно 1000 км от их источника (ускорителя) . Формула изобретения Ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов, содержащий слои вещества-конвертора и датчики числа вторичных частиц ливня, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия, улучшения разделения электронно-фотонных и ядерных ливней и расширения диапазона измеряелых энергий в область сверхвысоких энер1ий, он содержит детекторы числа вторичных частиц лив:ня, выполненные в виде вакуумных конденсаторов, соединенных с нсточннком высокого напряжения и измерительным устройством.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании

№ 1469415, кл. Н 11, опублик, 06.04.77.

2.Росси Б. Частицы больших гий. М., Гостехиздат, 1955, с. (прототип).

7 /

/ /

/ / /

в