Способ измерения энергетических спектров адронов

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ АДРОНОВ путем облучения ими мишеней, содержащих нуклиды с различными порогами ядерных реакций, регистрации продуктов этих реакций твердотельными трековыми детекторами (ТТД), определения по числу треков на этих детекторах и с помощью заранее измеренных функций отклика детекторной сборки флюенсов адронов с энергиями выше пороговых значений, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений на область высоких энергий адронов, в набор мишеней включают фольги из материалов с атомным весом 50 - 150 а. е. м. , для ТТД порог регистрации фрагментов устанавливают Z = 5 с помощью вспомогательных детекторных сборок с мишенями из бериллиевых (Z = 4) и графитовых (Z = 6) материалов, причем режим травления ТТД выбирают с возможностью регистрации фрагментов углерода и нерегистрации фрагментов бериллия.

Изобретение относится к ядерной физике, в частности к способам измерений энергетических спектров ядерно-активных частиц адронов (нейтронов, протонов, ТГ-мезонов) с помощью, выбора пороговых детекторов.
Известны способы измерения энергетических спектров адронов путем облучения ими мишеней, содержащих нуклиды с различными порогами ядерных реакций, регистрации продуктов этих реакций твердотельными трековыми детекторами (ТТД), определения по числу треков на ТТД и с помощью заранее измеренных функций отклика детекторной сборки (мишень - ТТД) флюенсов адронов с энергиями выше пороговых значений. В литературе [1] описаны конкретные варианты способов:
1) по пороговым реакциям деления на тяжелых элементах с А > 150 а. е. м. (²³⁵U, ²³⁸U, ²³² Тh, ²³⁷Np, ²⁰⁹Bi) с регистрацией продуктов реакций (осколков деления) с помощью ТТД со значениями порогов (по числу протонов налетающей частицы) Z > 4 (стекла, слюды, полиэтилентерефталатные и поликарбонатные пленки);
2) по пороговым реакциям с вылетом легких заряженных частиц (протонов, альфа-частиц, легких фрагментов) на элементах легкого и среднего веса и в том числе на материале детектора с регистрацией продуктов реакций с помощью ТТД со значениями порогов (по числу протонов налетающей частицы) Z 2 (CR-39, нитраты и ацетаты целлюлозы, некоторые поликарбонатные пленки).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ-прототип [2] . В способе-прототипе регистрация проводится с помощью детекторных сборок, в качестве мишеней которых применяют ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th, ²³⁷Np, ²⁰⁹Bi, а в качестве детектора осколков деления используют лавсан c последующим подсчетом треков электроискpовым способом.
Недостатком известных способов (и прототипа в том числе) является ограниченность выбора детекторов с различными значениями порогов. Для измерений энергий адронов > 100 МэВ используют только ²⁰⁰ Bi с порогом 50 МэВ. Детекторов с более высокими порогами не существует, что ограничивает диапазон измерений со стороны высоких значений энергий адронов, а также обуславливает большую погрешность оценки флюенсов адронов с энергиями > 100 МэВ. Это отрицательно сказывается на результатах исследований в области дозиметрии, физики элементарных частиц и космических лучей высоких энергий, изучении спектров адронов высоких энергий, испускаемых из массивных мишеней на ускорителях частиц высоких энергий, где спектр адронов простирается до значений в несколько ГэВ.
Целью изобретения является расширение диапазона измерений на область высоких энергий адронов и повышение точности измерений энергетических спектров адронов.
Поставленная цель достигается тем, что в набор мишеней дополнительно включают фольги из материалов с атомным весом от 50 до 150 а. е. м. (например, медь, кадмий), а порог регистрации ТТД по Z устанавливают равным 5, для чего применяют вспомогательные детекторные сборки с мишенями из бериллиевых (Z= 4) и графитовых (Z= 6) материалов, а режим травления ТТД выбирают так, чтобы фрагменты из углеродной мишени регистрировались, а из бериллиевой не регистрировались в ТТД. По числу треков на детекторах и с помощью заранее измеренных функцией отклика детекторных сборок определяют флюенс адронов с энергиями > 0,5-1 ГэВ.
На фиг. 1 приведены полученные авторами впервые экспериментально функции отклика детектора на основе мишеней из меди, А = 64 (кривая 1), и кадмия, А = 112 (кривая 2), при обеспечении порога Z = 5, а также для других типов мишеней: на висмуте А = 209 (кривая 3) и на алюминии, А = 27 (кривая 4).
На фиг. 2 приведены взятые из литературы значения образования фрагментов с Z= 2, Z= 4, Z= 6 (кривые 5, 6 и 7 соответственно) при облучении медной мишени нейтронами.
На фиг. 3 показаны профили треков от фрагментов бериллия и углерода в лавсановой пленке при разных временах травления.
На фиг. 4 приведены результаты измерений нейтронного спектра с помощью предлагаемого способа (кривая 8) и по методу времени пролета в качестве эталонного (кривая 9).
Экспериментальные данные, представленные на фиг. 1, получены с помощью оборудования и методик, подробно описанных в [2] . Из фиг. 1 видно, что функции отклика детекторной сборки при использовании мишиней из меди, кадмия и трекового детектора с порогом Z = 5 носят четко выраженный пороговый характер. Аналогичные зависимости получены и для других ядер в диапазоне от 50 до 150 а. е. м. Из фиг. 1 также видно, что использование мишеней вне указанного диапазона обуславливает отсутствие четкого порога в функциях отклика. Из фиг. 2 видно, что если порог регистрации детектора столь низок, что он регистрирует альфа-частицы (Z = 2), то сечение реакции не имеет порога при энергиях > 50 МэВ. Если порог столь высок, что все фрагменты Z 6 не регистрируются, то счетность такого детектора будет очень малой, так как выход фрагментов резко уменьшается с увеличением Z. Оптимальным является детектор, порог которого имеет значение по Z в диапазоне 4-6. Предлагаемый способ позволяет устанавливать и контролировать значения порога по Z, равным 5, т. е. ионы с Z 4 не регистрируются детектором, а ионы с Z 5 регистрируются им. Обычно порог лавсанового детектора в зависимости от конкретного материала, условий травления, метода анализа треков лежит в диапазоне Z = 3-7. Авторами впервые было установлено, что если применяют искровой метод съема информации, то величину порога можно варьировать, выбирая режим травления детектора. Возможность изменения порога регистрации обуславливается тем, что применяемые в искровом методе пленки имеют толщину меньше пробега частицы в ней. Искровому пробою подвергаются только сквозные или почти сквозные отверстия. Такие отверстия при травлении пленки образуются тем раньше, чем больше Z иона (при одинаковых энергиях ионов). Поэтому существует зависящий от времени травления диапазон остаточных толщин пленки, когда треки от ионов с большими Z уже сквозные, а от меньших Z - еще нет. Этот эффект обеспечивает возможность варьирования порога чувствительности детектора по Z и иллюстрируется на фиг. 3.
После прохождения ионов Be (Z= 4) и С (Z= 6) в момент t_o начинается изотропное травление со скоростью V_т и ускоренное травление вдоль трека со скоростью V_п, причем V_т тем больше, чем больше Z. Поэтому спустя некоторое время t₁ образуется сквозной трек для иона C, cпособный к электрическому пробою, в отличие от трека Ве, который становится сквозным только в момент t₂, когда могут пробиться оба трека.
Устанавливать и контролировать порог по Z можно непосредственно в эксперименте, облучая вместе с основными сборками мишень-детектор, дополнительные мишени из Ве и С с теми же трековыми детекторами. Под воздействием адронов высоких энергий из этих мишеней с достаточно большим выходом вылетают ядра отдачи Ве из бериллиевой мишени и В и С из углеродной мишени. После экспозиции подбирают режим травления облученных трековых детекторов так, чтобы ионы Bе не регистрировались, а ионы С и В регистрировались детекторами.
Для оценки погрешностей измерений энергетических спектров адронов с помощью предлагаемого способа и известного были проведены расчеты по методу минимизации направленного расхождения.
Из представленной таблицы видно, что со сравнению с прототипом использование детекторов с высоким порогом (на основе кадмия) приводит к существенному уменьшению погрешности результатов измерений в области энергий адронов выше 250 МэВ. Добавление двух детекторов (на основе кадмия и меди) еще более снижает погрешность.
Тестирование способа проводилось в нейтронном поле свинцовой мишени 20 х 20 см, облученной протонами с энергией 2,55 ГэВ. Результаты измерений сопоставляются с полученными с помощью метода времени пролета, выбранного в качестве эталонного, и приведены на фиг. 4. Хорошее согласие результатов, полученных двумя способами во всем энергетическом диапазоне, подтверждает применимость предлагаемого способа для исследования адронов с жестким энергетическим спектром. (56) 1. Флейшер Р. Л. и др. Треки заряженных частиц в твердых телах, ч. 3. Энергоиздат, 1981, с. 83-100.
2. Воробьев И. Б. и др. Применение метода искрового подсчета треков в нейтронных исследованиях. Атомная энергия, т. 61, вып. 1, 1986, с. 35-40.
Способ измерения энергетических спектров адронов. Использование: измерение энергетических спектров ядерно-активных частиц-адронов, нейтронов, протонов, -мезонов. Сущность изобретения: производят облучение адронами мишеней, содержащих нуклиды с различными порогами ядерных реакций, регистрацию продуктов этих реакций твердотельными трековыми детекторами, определение по числу треков на этих детекторах и с помощью заранее измеренных функций отклика детекторной сборки флюенсов адронов с энергиями выше пороговых значений. В набор мишеней включены фольги из материалов с атомным весом 50 - 150 а. с. м. Для твердотельных детекторов порог регистрации фрагментов устанавливают Z = 5 с помощью вспомогательных детекторных сборок с мишенями из бериллиевых и графитовых материалов. Режим травления твердотельных детекторов выбирают с возможностью регистрации фрагментов углерода и нерегистрации фрагментов бериллия. 1 табл. , 4 ил.