Способ регистрации низкоэнергетичных ионизирующих частиц Советский патент 1985 года по МПК G01T1/18 

Способ относится к области физического эксперимента и может быть использован при исследованиях с низг коэнергетичными ионами и электронами для эффективной их регистрации и измерения энергии с помощью газовых ионизатщонных детекторов.

Регистрация ионизирующих частиц, использующая ионизацию рабочего газа в объеме между двумя электродами при прохождении заряженных частиц через газ, нашла широкое применение в самых различных областях техники и экспериментальной физики. Она может осуществляться в трех режимах: ионизационном, пропорциональном и 1азоразрядном 1 J.

Ионизационный режим используетсяj как правило, для регистрации частиц, создающих больщую удельную ионизадню (oi-частиць, другие ядра с большой энергией). В этом случае ионизационный ток при постоянном потоке ионизирующего излучения не зависит от небольп ого изменения приложенного к камере напряжения.

Для регистрации отдельных частиц с малой, удельной ионизацией (электроны, ядра с малой энергией) применение ионизационного режима регистрации практически невозможно, так как импульсы тока 5 возникающие в этом случае при прохождении ионизирующих частиц через рабочий газ, очень малы и амплитуды их сравнимы с шумами радиотехнических устройств.

С целью увеличения амплитуды им, пульсов используют газовое усиление ионизационного тока за счет вторичной ионизации при движении электронов в сильном электрическом поле„ В этом случае возникает лавинньпЧ процесс газового усиления ионизационног тока. Если коэффициент газового усиления не зависит от числа первичных пар ионов, то имеют дело с пропорциональным режимом регистрации. I

В газоразрядном режиме используют

самостоятельный разряд в газе, возникающий при определенной, довольно вы сокой разности потенциалов, приложенной к электродам регистрирующей системы. Давление рабочего газа в . этом режиме обычно выбирают порядка 10 мм рт.ст. В этом режиме осуществл ется лишь регистрация частиц без измерения их энергии. При регистрации низкоэнергетических ионизирующих

частиц в одном из указанных режимов ,частицы вводят в объем рабочего газа через окно, закрытое тонкой пленкой. Но даже наличие этой пленки приводит к значительным потерям энергии регисрируемых частиц до их попадания в объем рабочего газа. Возникает большая неопределенность в их энергии, что снижает точность измерений.

Так как пробеги указанных частиц малы, то толщиной пленки задается ниний энергетический порог регистрации частиц.

Для тяжелых ядер ( а.е.м) с энергией порядка 100 КэВ пробег в гелии составляет величину/- 10 мкг/см Для ядер с меньшими А и для более тяжелого, чем гелий ( а.е.м.), про.бег замедлителя будет еще меньше. В настоящее время нельзя сделать механически прочную пленку, способную выдержать перепад давлений 1 100 мм рт.ст. и имеющую толщину меньше нескольких десятков мкг/см

достаточной площади. Таким образом, регистрация ионизирующих частиц с энергией меньше 100 КэВ в газораз-. рядных устройствах, имеющих окно, закрытое тонкой пленкой достаточной площади, невозможна.

Известен способ регистрации электронов с энергией 1 КэВ и ионов с энергией меньше 300 КэВ в газоразрядном режиме 2J.

В данном способе регистрируемые частицы вводились в объем рабочего газа через очень тонкую (31 мкг/см ) коллодиев то пленку в окне, разделяющую объем детектора и высоковакуумный тракт. Минимальная энергия регистрируемых ионов и электронов ограничена толщиной пленки. Работа в ионзационном и пропорциональном режимах н-е эффективна.

Наиболее близким к изобретению является способ регистрации низкоэнергетичных. ионизирующих частиц, основанный на ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающийся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объемр

Способ основан на регистрации ио.визирующих частиц с помощью газоразрядного счетчика низкого давления и фотоэлектронного умножителя. В данном способе в газоразрядном счетчике поддерживалось давление рабочего газа рт.ст. Малое давление рабочего газа позволило автора использовать свободное от пленки окно. Несмотря на то что в данном способе использовался газоразрядный режим, сигнал на электродах получался очень малой амплитуды. Поэтому использовали для счета частиц сигнал от фотоумножителя, возникающий в момент зажигания разряда. Основными недостатками данного способа являются довольно низкая его эффективность 5-6% для электронов с энергией 15 КэВ и 24-28% для энергии электронов 1000-500 КэВ и невозможность использования способа для газовых ионизационных детекторов в пропорциональном и ионизационном режимах и, следовательно, невозможность измерения энергии регистрируемых частиц. Эти недостатки обусловлены невозможностью создания более высокого давления рабочего газа без заметного ухудшения вакуума в прилегающей к детектору системе. Целью изобретения является повышение эффективности регистрации при сохранении низким порога регистрации Это достигается тем, что в способе регистрации низкоэнергетичньк ионизирующих частиц, основанном на ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающемся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, рабочий газ в межэлектродном пространстве приводят в сверхзвуковой режим течения любым из известных способов. На чертеже представлена схема, поясняющая предлагаемый способ. Устройство состоит из камеры 1 напуска рабочего газа, сверхзвукового сопла Лаваля 2, рабочего объема детектора 3, анода в виде тонкой нити 4, окна 5, заземленного катода в виде цилиндра 6, отсекателя 7, камеры отсекателя 8, изоляторы 9. и 10 системы крепления нити и подачи высо кого напряжения. Между катодом и анодом поддержива ется высокая разность потенциалов. Сигнал снимается с анода. Предлагаемый способ состоит в сле дующем. Ра-бочий газ, находящийся при достаточно высоком давлении (от 0,0 до 10 атм) в камере напуска 1, подают через сверхзвуковое сопло Лаваля 2 в камеру отсекателя 8.При истечении в вакуум сверхзвуковой поток га14за, сформированный соплом Лаваля 2, обладает резкой границей с вакуумом. Наличие трения между стенками сопла и прилегающим к ним газом приводит к замедлению пристеночного слоя газа в сопле. Из-за вязкости это замедление распространяется вглубь струи. Таким образом возникает дозвуковой пристеночньш пограничный слой газа, который приводит к размытию границы между струей и вакуумом. Если не принимать специальных мер, например охлажйения рабочего газа в камере напуска, то произойдет ухудшение вакуума в прилегающих к детектору частях установки. Для отделения пограничного слоя от сверхзвукового ядра струи используют отсекатель 7. Тем самым обеспечивают более резкую границу между струей и вакуумом в рабочем объеме детектора 3. Пучок ионов или электронов низкой энергии поступает в рабочий о.бъем детектора 3 через свободное от йленки окно 5. В результате ионизации при прохождении заряженных частиц в газе образуются электроны и ионы. Ионизация происходит в объеме между двумя электродами (ано-г дом 4 и катодом 6), между которыми приложена разность потенциалов V . В электрической цепи питания возникает импульс тока. Этот импульс и является регистрируемым сигналом. В ионизационном и пропорциональном режимах величина импульса тока несет информацию о энергии регистрируемых частиц. В газоразрядном режиме регистрируют только число частиц. Так как длительность сигнала составляет величину /. 10 с, то существенно более медленный процесс направленного -движения рабочего газа не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на работу детектора. Для уменьшения вероятности пробоя опло Лаваля 2 выполняют из изолируюего материала. Нить анода 4 крепитя на оси системы с помощью изоляоров 9 и 10. Излишки рабочего газа из камеры отсекателя и из рабочего объема отачиваются с помощью системы насосов ( . направление показано стрелками а чертеже). Такое Техническое решение позволят обеспечить широкий диапазон плотости газа в рабочем объеме детекора, не ухудшая вакуум в прилегающих частях установки. В пересчете на толщину газовой струи в рабочем объеме h f° , где , плотность в струе (мкг/см), of- диаметр стру (см), обеспечивают толщины fi в диапазоне ..(5 ) мкг/см. Изменение плотности рабочего газ в рабочем объеме детектора осуществляется за счет изменения давления бочего газа в камере напуска 1 и ст пени расширения газа в сверхаьуковом сопле Лаваля 2 и в камере отсекателя 8. Широкий диапазон давлений и отсутствие пленки, закрывающей входное окно детектора, позволяет использовать предлагаемый способ для регистрации ионов и электронов в любом из указанных выше режимов. Верхний предел энергии регистрируем частиц в режиме измерения энергии определяется максимально достижимой толщиной газа в рабочем объеме дете тора { мкг/см ) и составляет величину: для ионов - порядка сотен КэВ, для электронов - дорядка десят ков КэВ. Нижний энергетический поро регистрации определяется способностью регистрируемых частиц производить ионизацию рабочего газа, т.е. равен или несколько больше потенциала ионизации атомов рабочего газа (порядка десятков эВ). Пример 1. Для регистрации электронов в диапазоне энергий от 500 эВ до 30 КэВ их вводят в сверхзвуковую струю рабочего газа через свободное от пленки окно, как это показано на чертеже. Дакпение газа в рабочем объеме детектора составляет величину 0,1 мм рт.ст., разность потенциалов между катодом и анодом 1200 В, Регистрация электронов осуществлялась в газоразрядном режиме. Эффективность регистрации электронов с энергией в указанном диапазоне 100%. Пример 2. Для регистрации тяжелых ионов и диапазоне энергий от 100 эБ до 300 КэВ их вводят в сверхзвуковую струю рабочего газа через свободное от пленки окно. Для обеспечения измерения энергии регистрируемых ионов используется пропорциональный режим регистрации. При следующих параметрах детектора: Давление газа в рабочем объеме детектора 1,6 мм рт.ст. Радиус катода 1 см Радиус нити анода 0,01 см Разность потенциалов между анодом и катодом Vo| 570 В Коэффициент газового усиления К 100 В этом случае толщина газовой струи в рабочем объеме детектора 30 мкг/см , что и обеспечивает работу детектора в -указанном диапазоне энергий тяжелых ионов практически со 100%-ной эффективностью. Таким образом, изобретение позволяет значительно снизить энергетический порог анализируемых частиц, и его нижний предел определяется способностью регистрируемых частиц производить ионизацию рабочего газа. Эффективность регистрации обеспечивается равной почти 100%.

СПОСОБ РЕГИСТРА1Д-Ш НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ, основанньй на измерении ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающийся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации при сохранении низким порога регистрации, рабочий газ в межэлектродном пространстве приводят в сверхзвуковой режим течения. сл ffffOf gD Од 4i О) (НА