Гамма-резонансный затвор Советский патент 1981 года по МПК G01T1/16 G01T7/00 

(54) ГАММА-РЕЗОНАНСНЫЙ ЗАТВОР .| § П Т1%|

Щ-й л :-рТ Ш1

Изобретение относится к эксперимеи- татшной физике и может быть использовано при исследованиях в ядерной физике физике твердого тела, а также в других научно-технических областях, в которых используется гамма-резонансная спектро скопия (эффект Мессбауэра). Известны пьезоэлектрические вибрато ры для модуляции источника гамма-дучей выполненного в виде тонкой радиоактивной фольги, имеющей необходимую акустическую связь с одной из сторон пъезот . электрического элемента Г13« Наиболее близким к предлагаемому изобретению является затвор для резонанс ных гамма-лучей магнитоэлектрического типа, содержащий резонансный поглотитель в виде металлической фольги и вклю ченный тракт регистрации с использованием цепей .синхронизации 2. Необходимая величина относительной резонансной скорости источник-поглоти- тетпэ достигается за счет пондермотор- ных .(механических) сил, возникающих при пропускании тока через фольгу, помешенную мелоду полюсами постоянного магнита. В качестве черного (мессбау- эровского) поглотителя резонансных гамма-лучей используется фольга (толщиной 5 мкм) из нержавеющей стали, обогащенной массбауэровскими ядрами железа (),. Это устройство имеет сравнительно большие габариты и вес вспомогательных элементов затвора, в частности магнита, что ограничивает эксплуатационные возможности магнитоэлектрического затвора и затрудняет его использование (путем непосредственного размещения внутри криостата) в широком диапазоне температур; неблагоприятные воздействия на исследуемый образец-магнитных полей рассеяния со стороны магнита затвора, а также невозможность .прямого использования.резонансных поглотителей, не обладающих хорошей электропроводное- тью,. например двуокиси олова и гематита. Такие поглотители можно, видимо, наносить на проводящие и достаточно прозрач1Ш1е для исследуемого гамма излучения подложки, но ЭТО можно ухудшить параметры затвора и температурный режим резонансного поглотителя. Кроме того, определенные трудности возникают при ис«пользовании коротких по длительности импульсов тока ( с), необходимых для срабатывания затвора, К неблагоприятным факторам следует отнести интегрирующее влияние индуктивности фольги и ее токоподводящих элементов (держателей и т.п.) на проходящие через них имп пьсы тока, длительность которых Т цд, доллсна быть приблизительно на порядок короче времени непрозрачности затвора: . с при пиковом значении то5 А и напряжен ности магнитного

ка j

ПИК 5 кЭ, Далее, посколысу

поля затвора

T-V скважность импульсов тока , ф - 1 гд

. WMn

Т период следования разнополярнь1Х токовы

импульсов, то при С, 1 О фронты этих ;ИМпупьсов оказываются настолько короткими, что глубина проникновения тока в фольгу (скин-слой) становится меньше или, в лучшем случае, соизмеряемой с тоЛ щиной фольги. При использовании же реаонансных поглотителей из магнитного материала с достаточно большой нача.ль- ной мапштной проницаемостью (/), например фольги из чистого железа (железо ;Армко ,) составляет лишь небольшую часть толщины фольга, используемой в прототипе. Это может нарушить работу затвора и, во всяком случае, изменит его температурный ре жим. Необходимо отметить, что под величиной периода Т следует понимать интервал между соседними, разнополярными а не одноплярными импульсами, поскольку тепловой эффект тока в проводниках имеет квадратный характер. Поэтому при

.

( 10, среднее значение тока

МОжет достигнуть величины, при которой будет превышена допустимая мощность рассеяния в фольге. Следует отметить, что из трех механизмов теплопередачи наибольшее значение в данном случае имеет конвекция, а теплопроводность вдоль фольги (отвод тепла в держатели) и иапучение с ее поверхности играют второстепенную ропь. Поэтому при q, ci 5 и недостаточной конвекции, в астности, при помещении фольги в вакуум, может произойти разрушение резонансного поглотителя затвора.

Цепь изобретения - достижение компйктносги затвора, улучшение его эксплуатадионных характеристик и упрощение конструкции.,

л ля достижения поставленной цепи гамма-резонансный затвор, содержащий резонансный поглотитель и цепь синхронизации затвора с трактом регистрации выпспнен в виде пьезоэлектрического элемента со сквозным отверстием, закрытым поглотителем, причем на поверхности пьезоэлектрического элемента нанесены возбуждающие электроды, соединенные с генепатором переменного напряжения, который через цепи синхронизации связан также с трактом регистрации.

На фиг. 1 показан схематический разрез гамма-резонансного затвора, гаммаизлучение направлено вдоль оси 0-0;: на фиг. 2 - вид на затвор со стороны источника гамма-излучения, штрих-пунк тирной линией, очерчен поглотитель квадч ратной формы.

Гамма-резонансный затвор содерэжит пьезоэлектрический элемент 1 с нанесенными на его торцы (стенки, стороны) возбуждающими электродами 2 и 3 и сквозIiыми отверстиями 4. Это отверстие закрыто резонансным поглотителем 5, имеющим надежный ахсустический контакт с электродом 2 пьезоэлемента 1 -с помощью, например, акустической связки 6. Электроды 2 и 3 с помощью электрических контактов 7 соединены с генератором 8 переменного напряжения, который для получения жесткой синхронизации всех электрических цепей, связанных с затвором, соединен также с трактом регистрации (на чертеже не показан). Пьезоэлемент 1 установлен на малогабаритном держателе (на чертеже не показан) таким образом, чтобы задняя стенка пьезоэлемента с электродом 3 была закреплена неподвижно, вплотную примыкая к плоскости 9 заземленной пластины держателя. При этом они могут быть прижаты не по всей поверхности, а с сохра- нением воздушной подущки 10 между ними. На чертеже пьезоэлемент. показан в виде пластины, но в зависимости от конкретных условий работы он может быть выполнен любой формы: в виде диска , трубки и т.д.

Затвор работает следующим образом, При подаче возбуждающего напряжения 55 на электроды 2 и 3 пьезоэлемента 1, его незакрепленная стенка с электродом 2 соверщает поршнеобразные, возвратнопоступательные колебаний по закону, on-i редепяемому формой ; возбуждающего на пряжения. Резонансный погпотитегаь 5, имеющий надежный акустический контакт с этим электродом и, соответственно, со стенкой пьезоэпе1лента 1, на которую тот нанесен (напылением, вжиганием и т.п.), колеблется с той же скоростью, что и электрод 2. Если эта скорость отлична от резонансной, то испускаемые источни-. ком гамма-кванты проходят через затвор вдоль оси 0-0 (фиг. 1) к исследуемому образцу практически без поглощения. В случае же, когда относительная скорость источник-поглотитель (затвор) является резонансной, то выбранная линия спектра будет поглощена резонансным поглотителем затвора. Выбор запираемой с помощью затвора линии в многолинейном мессбауэровском спектре определяется формой .и амплитудой возбуждающего напряжения. Поскольку линии спектра не являются многоэнёргетическими и имеют лоренцов ский характер распределения (естественную щирину) и, соответственно, некоторую дисперсию мессбауэровских скоростей (источник-поглотитель), то для полного запирания реальной линии спектра при работе с одноканапьными анализаторами в режиме постоянной скорости необходимо подбирать соответствующую форму воз буждающего напряжения ( U g ц ) путем например, суперпозиции (наложения) напряжений различной формы. Аналогичную задачу в прототипе при баллистическом возбуждении движения фольги токовыми импульсами реишть подобным, сравнитель но простым способом затруднительно. Для запирания затвором отдельных участков спектра (линии) можно плавно или ступенчато менять амплитуду возбуж дающего напря кения Ug ц, в пределах, обеспечивающих прохождение затвором за данного участка спектра или одиночной линии (ее лоренцовой дисперсии). Форма напряжения возбуждения подбирается такой, чтобы в течение полупериода этого . напряжения ( (Ю ) от носительная скорость поглотителя (затвора) была постоянной {бу ет-ппгл Дл5ь пьезоэлемента, выполненного из пьезокерамики, это напряжение ( ) име ет треугольную форму. Можно также применить амплитудную модуляцию напряжения й,н,1 частности по линейпому закону, ограничивая ее глу бину и, соответственно, величи 1у измере ния относительной скорости погпотптехш пределами одной или нескольких соседних линий. Период модулирующих колебаний Тмад, может во много, раз превышать период Tgj колебаний возбунедающего на-« пряжения при жесткой синхронизации между этими колебаниями и трактом регистрации, Простейщим способом осуществления подобной линейной модуляции является использование автомати еской си- саемы на базе щагового искателя с регулируемыми величинами щага (Од ) и времени экспозиции (. ) в каждой точке измерений, а также меняющимися начальной и конечной точками отсчета, т.е. пределами изменения aмпшIтyдыU0 y и, соответственно, относнтеяьяых скоррс исг-псгл Р необход;{мооти можно выйти из режима автоьлаткческого сканн«. рования вдоль спектра п производить набор статистики в какой-пибо выбранной фиксированной точке. Такая система измерений позволяет рассмотреть действие затвора на реальную шшию спектра по ее отдельным энергетическим участкам, причем, в частном случае величина шага А -g ц может быть ванта ширине реальной пинии - при условии плавной регзлировки величт-ны возбукщакшего па- пряжения в предеяах энерпзгпческой попуширнкы пинии (т.е ширины л ;;;;;;; на половине ее высоты), регулировка позволяет плавно настрогльсп на пик.резонансного погпошепия (Е) выбрантюй пинии спектра. Для этих же цепей в качестве возбуж дающего напряжения могут быть попользованы колебания простейшей, сштусогь™ дапыюй формы ( и , ( г) ) Прп этом тракт регистращп открывается лишь на время действия стробирующего (а в ма шем случае отпирающего) п пуггъса t,z.i.:u()c. Време-.шая задержка этого импульса выбирается Постоянной и равной . рабошй участок приходится на середину соот- вегствующего norrj-периода, также при жесткой синхронизации стробирующего импульса, напряжения ( н тракта регистрации. Период возбуждаюидего напря- , в этом случае выбирается жеппя Т таким, чтобы неяинейыость скоростт двп жения резонансного поглотитепя оставалась в допустимых пределах ((5,(. - const),т.е. практически определяется со O.-I.C -LlOTHOCiiотношеппем ч. в этом вытельно уменьиения доли ражешш, например, прн уменьшении часчтоты SgjH, напряжения Ug у.. ) снижается относительная непннейность рабочего участка скорости поглотителя, но приводит при этом к собственному эффекту временной коллимации. Это вызвано тем, что источник гамма-излучения прак -тически используется лишь в течение времени, равного v- от общего времени экпозиши, а это Требует применения силь ного источника излучения или удлиняет время эксперимента. При использовании синусовдального Og „( прохождение лоренцовского распределителя линии или нескольких соседних линий многолинейного спектра может осуществляться ступеньками или плавно, т.е. аналогично описанному вьдае случаю использования колебаний специальной, например, треуготхьной формы Применение синусоидального напряжения представляет интерес еще и тем, что ра-; ботая на частоте электромеханического резонанса пьезоэлемента, можно существенно (на величину добротности системы (3, ) снизить величину возбуждающего напрялсения (Jg, rt/) . Монсно применять здесь также метод двойных и тройных совпадений (в частное ти, при исследованиях с мессбауэровскими ядрами железа ), используя пере менную (изменяемую) задержку во времени регистрируемых и вспомогательных сигналов и выбирая величину периодов возбулодающих напряжений синусоидальной и других.форм большую, в сравне1|ии с временем срабатывания (закрывания) затвора, т.е TU.H. гaт6. Используя также соответствующую схему распада, например Со, и соответствующие цепи задержки по типу задержанных совпадений, а также блок формирования стробируюших (отпирающих) сигналов, запускаемый импульсом с выхода детектора излучений (совпадающим с началом акта распада), можно получить прямую корреляцию между отдельным актом распада и началом срабатывания затвора, с T ja-rgv () с. Для получения прочных, стабильных и долговечных акустической и механической связей резонансного поглотителя с пьезо- элементом (его электродом) сквозное отверстие в нем для прохождения гаммалучей заполняется временным наполнителем-подложкой. На нее, как и на прилега ющий к отверстию участок пьезоэлемента (или на нанесенный ранее возбуждаМЩий электрод в частности использования продольного пьезоэффекта), наносится напыЛением или иным способом слой резонанс ного поглотителя необходимой толщины. После этого временная подложка удаляется с помощью соответствующего раствори теля, химически нейтрального к матери- алу резонансного поглотителя и других элементов затвора. Временная подложканаполнитель выбирается в зависимости от типа резонансного поглотителя, диапазона его рабочих температур, требуемой прочности образуемой пленки, отсутствия химического взаимодействия с наносимой на подложку пленкой поглотителя и других факторов и может быть выполнена из целого ряда веществ. Это позволяет noTiyчить более надежный акустический контакт и существенно бопьщое число циклов охлаждение-нагревание (при использоваНии гамма-резонансного затвора в вора в кристалле), чем в случае применения между поглотителем и пьезоэлементом акустической связки: глипталевого клея, силиконового масла и т.п. Для увеличения механической прочности полученные пленки резонансного поглотителя после нанесения их на пьезоэле- мент могут быть подвергнуты соответствующей термообработке в зависимости от типов поглотителя, временной подложки и материала пьезоэлемента. В случае, если материал пьезоэлемента не является пьезЬэлектриком в непопяризованной фазе (пьезокерамика), а максимальные температуры при такой термообработке превьпцают точку Кюри, то пье оэлемент вновь поляризуется по принятой для данной сегнетоэлектрического материала методике (с последующим искусственным старением пьезоэлектрических параметров). В качестве источ1 ика возбуждающего напряжения используется генератор переменного напряжения соответствующей формы. Он должен иметь низкий выходной импеданс, позволяющий работать на емкостную нагрузку в области высоких частот. При необходимости можно использовать генератор с обычным сравните ль-. но высокоомным выходом, применяя для согласования с нагрузкой соответствующий повторитель, например эмиттерный повторитель на составных полупроводниковых триодах, или иное согласующее устрОЙСТВО. Для одновременного запирания нескольких линий многолинейного спектра или нескольких отдельных энергетических участков одной линии можно использовать несколько последовательно расположенных затворов, пьезоэлементы которых возбуждаются различными по амплитуде напряжениями одной и той же частоты. При этом используется общий генератор,

аттюатор (делитель) со ступенчатой и плавной регулировкой напряжения и не сколько по числу используемых гаммарезонансных затворов, повторителей или других согласующих устройств.

Для уменьшения коллимации излучения гамма-источника пьезоэлементном затворе, имеющим относительно малое сквозное отверстие, в пьезоэлементе может быть выполнено несколько небольших отверстий гаобой формы и расположения: вдоль линии в пределах круга, в виде узких прямоугольных щелей, отрезков кольцевых щелей и т.п., закрытых резонансным поглотителем. При этом следует учитывать расстояние от затвора до исследуемого образца и телесный угол, под которым образец облучается источником. Это позволит увеличить полезный эф фект и уменьшить фон, поскольку снизит- ся возможность гамма-квантов и детектор излучения, минуя образец

Определенным удобством является и возможность быстрой замены как всего затвора с дерисателем, так и его пьезо- элемента; при необходимости можно изменить тип резонансного поглотителя, форму и коллимируюший эффект сквозных отверстий в пьезоэлементе затвора и т.п.

Предлагаемое изобретение позволяет расширить экспериментальные возможное-

.rv -s

ти при проведении фундаментальных и прикладных исследований, используемых гамма-резонансную спектроскопию.

Формула изобретения

Гамма-резонансный затвор, содержащий резонансный поглотитель и цепь синхронизации затвора с трактом регистрации, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и улучшения его эксплуатационных характеристик, он выполнен в виде пьезоэлектрического элемента со сквозным отверстием, закрытым поглотителем, причем на поверхности пьезоэлектрического элемента нанесе-

ны возбумодаюшие электроды, соединенные с генератором переменного напряжения,

который через цепи синхронизации связан с трактсм регистрации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2S

0

2., № 4, 1978, с. 82 (прототип).