Способ детектирования заряженных частиц

(7 1) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском плитехническом институте(56) Абрамов А.И., Казанский Ю.А.,Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики, Атомиэдат 1970, с. 384, 459,Авторское свидетельство СССРВ 449640;.кл. С 01 Т 1/10, 1971.(54)(57) СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ путем регистрации обратно рассеянного излучения, заключающиися в том, что коллимированныйпучок частиц направляют на рассеиватель и после обратного рассеяниярегистрируют частицы счетчиком, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью увеличения эффективности регистрации компонента тяжелых частицв присутствии фона быстрых электронов, в качестве рассеивателя исполь-зуют кристаллическую фольгу толщиной много меньше пробега электронов,коллимированный пучок частиц направляют к ее поверхности под угломменьше критического угла плоскостного каналирования для тяжелых частиц,а счетчик частиц устанавливают подуглом рассеяния, равным углу падения .пучка.Изобретение относится к области технической физики, к способам регистрации ядерных и космических излучений и детекторам заряженных частиц, используемым в смешанных пото ках излучений.Известны многочисленные способы детектирования заряженных частиц иустройства для их реализации, использующие различные физические эффекты взаимодействия заряженных частиц с веществом. В случае необходимости предварительной сепарации компонентов пучков заряженных частиц всмешанных потоках эффективно использовать способ разделения тяжелыхзаряженных частиц и быстрых электронов в магнитных или электрическихполях в устройствах типа спектрометров или анализаторов частиц. В такомспособе используется эффект отклонения разноименно заряженных частиц 20 в противопложные стороны при влете в поперечное внешнее поле. На выходе из внешнего поля электроны и положительно заряженные частицы регистрируются соответственно различными счетчиками частиц. Недостатками такого способа регистрации заряженных частиц являются большие габариты соответствующих устройств, большой вес таких спектрометров и громоздкость схем и устройств их питания. Во многих случаях, особенно в способах регистрации космических излучений,. реализуемых на искусственных спутниках Земли, эти недостатки существенно ограничивают использование способов детектирования заряженных частиц на основе сепарации их пучков в магнитных или электрических устройствах.Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ детектирования электронов в присутствии фона тяжелых заряженных частиц путем регистрации обратно рассеянного излучения, заключающийся в том, что коллдмированный пучок частиц направляют на рассеиватель под углом и после обратного рассеивания регистрируют частицы счетчиком. 25 30 35 40 50 При обратном рассеянии электроны эффективно отражаются от слоя ве щества с большим атомным номером 2 а тяжелые частицы вследствие значительно меньшей эффективности обратного рассеяния не рассеиваются ипоэтому не регистрируются счетчиком,С целью увеличения угловой апертурысчетчик располагают на расстояниипорядка длины рассеивателя, облучаемого электронами из полупространства. При реализации данного способасчетчик располагают над центромкруглого рассеивателя, в качествекоторого может быть использованолюбое вещество с большим атомным номером 2 . С увеличениемповышается эффективность детектора, и диаг"рамма угловой чувствительности становится более ровной. Толщина рассеивателя должна быть не менее длины пробега наиболее энергичных электронов, которые должны быть зарегистрированы. Выбором толщины рассеивателя можно осуществить дискриминацию электронов больших энергий, еслирегистрация их нежелательна. В качестве счетчика может быть использован любой детектор, регистрирую"щий электроны в заданном диапазонеэнергий, например торцовый газоразрядный счетчик. В таком способе решается задача цетектирования одного сорта заряженных частиц на фоне частиц другого сорта заряженных частиц на фоне частиц другого сорта с использованием эффекта обратного рассеяния. Используя особенности рассеяния частиц на аморфной мишени удается эффективно зарегистрировать электроны на фоне тяжелых частиц, Решить обратную задачу, т.е. вццелить компоненту тяжелых заряженных частиц на фоне быстрых электронов при сравнительно равных величинах интенсивности потоков частиц двух указанных сортов в данном способе можно пытаться путем уменьшения толщин рассеивателя до толщин много меньше длин пробега электронов. Поскольку пробеги тяжелых заряженных частиц гораздо меньше пробегов быстрых электронов, то число отраженных тяжелых частиц от тонкой фольги существенно не уменьшится, а быстрые электроны будут пролетать через фольгу без рассеяния, Однако и в этом случае эффективность регистрации тяжелых заряженных частиц может быть повышена, но будет сравнимой с эффективностью регистрации быстрых электронов, т,е. детектировать тяжелые частицы в присутст3 1вии фона электронов не представляется возможным.Целью изобретения является увеличение эффективности регистрации компонента тяжелых частиц в присутствиифона быстрых электронов,Цель достигается тем, что по способу детектирования заряженных частиц путем регистрации обратнорассеянного излучения, заключающемуся втом, что коллимированный пучок частиц направляют на рассеиватель подуглом и после обратного рассеяниярегистрируют частицы счетчиком, вкачестве рассеивателя используюткристаллическую фольгу толщиной много меньше пробега электронов, коллимированный пучок частиц направляютпод углом к ее поверхности меньшекритического угла плоскостного каналирования для тяжелых частиц, асчетчик частиц устанавливают подуглом рассеяния, равным углу падения пучка частиц,При падении положительно заряженных частиц на кристаллическую фольгу под углом )с р , где ) - критический угол плоскостного каналирования, вдали от главных кристаллографических осей частицы испытываютзеркальное отражение в потенциалекристаллографической плоскости наповерхности фольги. При этом происходит практически 1007-ное отражение частиц, которые рассеиваются,под углом, равным углу падения частиц.Из Физических принципов взаимодействия быстрых электронов с потенциалом атомной плоскости следует,что потенциал плоскости для них не.является отражательньщ. Отрицательно заряженные электроны испытываютэффект притяжения положительным зарядом атомной плоскости и взаимодействуют с рассеивателем как саморфной мишенью. Поскольку толщинафольги - рассеивателя много меньшепробега. электронов, то выход обратного рассеяния для них минимален ине превышает долей процента от величины падающено пучка по сравнениюсо 1007-ным отражением пучка тяжелых заряженных частиц. Эффективность детектирования заряженных частиц будет оптимальной, если использовать счетчик с апертурой, равнойдлине рассеивателя, так как пучокпротонов отражается зеркально и безувеличения угловой расходимости, 1 26104 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При этом оптимально размещать счетчик на расстоянии примерно половины длины рассеивателя, что исключает перекрывание счетчиком падающего пучка. Нижний предел энергетического диапазона определяется порогом счетчика, верхний - точностью ориентации кристаллической пластины и составляет 10-12 МэВ.На фиг. 1 представлена геометрия измерений на фиг, 2 - график углового распределения протоновГеометрия реализации данного способа выглядит следующим образом (см. Фиг. 1). Пучок протонов с энергией Е = 10 МэВ падает на поверхностную грань (100) кристалла вольфорама толщиной 100 А под угломО 40, = = 9, Ч - угол между плоскостью падения пучка и кристаллографическим направлением (100поверхности грани. Конфигурация поверхностей отражения, грани (110) и (100) вольфрама, выбирались теми же, что.и в объеме кристалла. Энергетическими потерями протонов при отражении можно пренебречь вследствие их малости (длина пробега протонов вдоль поверхности кристалла до отражения 0 = 3/2, где 3 - длина волны осцилляции частицы в плоскостном канале кристалла),Методом машинного моделирования траекторий рассеянных протонов было определено,что критический угол каналирования для протонов с энергией Е = 10 МэВ составляет для (100) плоскости вольфрама 9 - 2 мрад, а для (110) плоскости около 3 мрад. При 0 (все частицы падающего на кристалл пучка отражаются первым атомным слоем поверхности кристалла. Ца Фиг, 2 представлено угловое распределение протонов с энергией 10 МэВ, отраженных гранью (100) вольфрама, усредненное по азимутальному углу у , для угла падения 0"9 . Число частиц в падающем пучке й, = 1000, температура кристалла Т = - 293, ( = 0,12 мрад, т,е. плоскость падения пучка далеко отстоит от плотноупаковакных кристаллографических направлений поверхности, Как видно, практически все падающие частицы (площадь под приведенной кривой) отражаются почти зеркально от поверхности кристалла, т,е, угловое распределение является симметричным с центром вблизи угла падения, его126104 Таким образом, из-за малого коэффициента обратного рассеяния электронов и резко направленного отражения пучка тяжелых частиц с близкой к 1007 эффективностью возможно детектировать пучки быстрых тяжелых заряженных частиц на фоне электронного потока, что обеспечивает достижение положительного эффекта. Поскольку критический угол каналирования равен"- (27 е/ЕД ) , где 2 е - заряд частицы, Е - ее энергия; 3 - параметр о,аю фиг,Н.Бонкало Корректор М.Шарош кива едактор Тираж 728 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений иПодписноомитета СССР Заказ 233 крытиинаб., д. 4/ Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 51полуширина на полувысоте составляетпримерно Ь 9 1/2 = 0,016,Для электронов с энергией Е.=10 Мэкоэффициент обратного рассеяния вслучае их падения под углом 6 =2 мрад .на грань (100) вольфраматолщиной 200 А составпяет не болееО, 17 под углом 8 "- В , а угловаяширина отраженного пучка близка кдиффузному распределению, т.е,ь 01,-0,5 рад,кристалла, то, устанавливая некоторый угол ориентации, возможно до- В биться также некоторой сепарациичастиц по энергии, так как часть потока более медленных частиц не испытывает зеркального отражения. Посравнению с базовым объектом, в качестве которого выбирают способ наложения сепарирующих электрических10 или магнитных полей, предлагаемыйспособ также позволяет достичь положительный эффект. Этот эффект выражается в значительном снижении габаритов и веса устройства для реали 15 зации предлагаемого способа, Если вбазовом объекте для детектированияпротонов с энергией 10 МэВ на фонебыстрых электроновнеобходимо использовать электромагниты весом до20 200-300 кг и соответствующие схемыих питания, то вес устройства в настоящем способе детектирования не будет превышать 3-5 кг, включая устройства для ориентации мишени.