Способ регистрации заряженных частиц

(54) СПОС НЫХ ЧАСТ (57) Испол ных част иэобретени полненной ют зону о частиц - чу камеры соэ градиент те ряженщность ре, за- создаенных стенок ху вниз О О ГОСУДАРСТВЕНЗОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР-59.видетельство СССР01 Т 5/00, 1952. Предполагаемое изобретение относится к области ядерной физики и техники, а именно, к методам регистрации ядерных излучений и может быть использовано при создании трековых детекторов заряженных частиц для исследований в области ядерной физики, физики элементарных частиц, для контроля радиоактивности окружающей среды, а также для создания приборов, ис,пользуемых в качестве учебных пособий по курсу физики в средней школе и ВУЗах.Целью предполагаемого изобретения является создание способа регистрации заряженных частиц, устойчивого к изменению давления, природы и молекулярных весов газа и пара, а также температуры дна и крышки путем создания по стенкам камеры возрастающего по направлению сверху вниз градиента температуры. Осуществление способа позволяет создавать камеры для наблюдения треков заряженных частиц при рец 3 ении ряда актуальных задач; перечисленных далее.Укаэанная цель достигается тем, что в камере, заполненной смесью газа и пара, создают поток пара от нагреваемого источника к охлаждаемому дну, согласно изобретению по стенкам сосуда устанавливают ОБ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕНИЦ ьзование: регистрация за иц, радиометрия газов. Су я: в конденсационной каме рабочей средой, в которой бразования треков эаряж вствительный слой, вдоль дают возрастающий свер мпературы. 9 з.п, ф-лы.возрастающий по направлению сверху вниз градиент температуры, устанавливают температуру дна ниже температуры конденсации пара, нагревают крышку выше температуры конденсации пара.Кроме сформулированного пункта заявляемый способ имеет зависимые пункты, характеризующие способ в частных случаях его выполнения.Весьма важной задачей в настоящее время является разработка методов определения концентрации радона в атмосферном воздухе, Предлагаемый способ позволяет решить эту задачу, Для этого предлагаешься дополнительно к независимому признаку способ, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности измерения радиоактивности газов (и в частности радона) температура дна поддерживается выше температуры конденсации исследуемого газа,В атмосферном воздухе и воздухе рабочих помещений радон всегда находится вместе со своими дочерними продуктами. Раздельная регистрация радона и его продуктов распада является актуальной задачей, так как их действие на организм человека при их вдыхании су 3 цестввннб различны. Предлагаемый способ позволяет решить зту зв 1831690дачу; Для этого с целью раздельной регистрации треков частиц, образующихся при распадедочерных продуктов радона, содержащихся ввоздухе, смещают продукты распада в чувствительный слой электрическим полем и уменьшают время нахождения продуктов распадарадона в чувствительном слов(за счет увеличения градиента температуры) до величины,меньшей времени жизни ВА;В ряде случаев желательно осуществлять способ наблюдения заряженныхчастиц в бытовых условиях, когда использование дополнительного охлаждения с помощьюспециальных реагентов или устройств затруднено. Предлагаемый способ позволяетсоздать в камбре устойчивый чувстаительный. слой, в котором наблкщеет треки заряженныхчастиц при установлении температуры днэ (зэсчет охлаждения окружающей средой) вышетемпературы окружающей среды и поддержании температуры. крышки выше температурыконденсации парэ. При этом следует испольэовать смесь двух взаимно растворяющихжидкостей с различающимися. более чем на30"С .температурами кипения (например,воде и глицерин, вода и аликоэь, нитрабензол - бензол),Весьма актуальной является задача спвктрометрии газообразных радиоактивных продуктов, имеющих электроотрицательнывпримеси. Спектрометрия газообразных радиоактивных продуктов может быть осуществлена. с помощью предлагаемого способа.Для этого следует треки; образовавшиеся вгазе, смещать электрическим полем в чувствительный слой и с помощью ФЭУ (или ППД)измерять интенсивность рассеянного треками света. Так как интенсивность рассеянного треками света пропорциональна числукапель, сигнал на выходе ФЭУ будет про-.порционален энергии заряженной частицы,Для осуществления способа необходимодополнительно к независимому. признакупо заявляемому способу с целью спектрометрии радиоактивных газов регистрировать сват, рассеянный каплями ФЗУ;С целью упрощения осуществления способа по независимому признаку температуруцентральнбй части дна поддерживают притемпературе ниже температуры перифериидна. Это приводит к тому, что упругость насыщенного пара вблизи стен будет больше,чем вблизи центральной части дна.Теоретически установлено. что температурное распределение в: горизонтальнорасположенном слое газа и пара,заключен. ном между двумя плоскостями, одна из которых (верхняя) имеет более высокуютемпературу, чем вторая (мнжмяя) близко клинейному, 10 В реальной камере горизонтальный слой таза и пара. ограничен стенками. Для осуществлению чисто диффузионного переноса пара от нэгревэемОЙ поверхности к охлаждевмой необходимо, чтобы температура.смеси газа и пара в любом горизонтальном сечении была бы постоянна, Отсюда следует, что температурное распределение в диффузионной камере по стенкам камеры и в обьвмв должно быть рдинэкоео и в соответствии с теорией - лийейно; Исходя. изэтих соображений было спроектировано и создано большое число различных типовдиффузионных камерНемн экспериментально установлено,что в диффузионной камере с линейным рэспредвленивм температуры при конденсации капель возникают местныв конвекционные токи из-зэ выделения тепла при койдвнсе" Ц 34 и. Это нарушает Стабильность чувствительного слоя, Изменение условий облучения обьема камеры приводит к увеличениюнестабильности чувствительного 5 слоя в результате чего диффузионные камерыприменяются обычно только для регист- .рации небольшого числа частиц, проходящих через обьвм камеры в течение коротких промежутков времени. Такив услоЗ 0 вия осуществляются. при работе диффузион. ной камеры совместно с ускорителямичастиц, или с другими имПульсными. источниками излучений. Для непрерывной регистрации зэряжвнмых частиц. мапримвр, От З 5 радиоактивного источника режим работыдиффузионной камеры с линейным или близким к линейному градиенту. температу. ры непригоден;Было экспериментально установлено, 40 что для того; чтобы увеличить стабильностьработы камеры необходимо создать по вв стенкам увеличивающийся. сверху вниз градиент температуры; При этом в аждае-горизонтальном сечемии камеры температуре 45 вблйзи стенок будет превышать температуру смеси газа и пара в обьеме камвры.Это приведет к тому, что вблизи стен камеры смесь газа. и пара будет двигаться снизу.вверх; а в осмовйом обьеме сверху вниз.50 Эксперименты 6 окээали, что тонкий. слойгаза. и парэ вблизи стен движется снизу вверх, а. основная массе газа и пара смещается ко дму камеры сверху вниз. В. такомрежиме работы вблизи днэустеЬвливавтсяустойчивый чувствительный слой, в квторомпроисходит регистрация. заряженных частиц и образование трекоа благодаря Ондемсаций капель ме йонэх. Эксперименты показывают,. что при. градиенте температуры вблизи;диэ: меньше Зссм стабильность5 10 работы камеры уменьшается (П,10 формула изобретения).Скорость движения газа в камере регулируется путем изменения величины градиента температуры вблизи дна и путем увеличения разности температур в горизонтальных сечениях камеры между центральной частью камеры и ее стенками. При увеличении скорости движения газа возрастает устойчивость режима работы камеры, увеличивается ионная нагрузка (число частиц, регистрируемых в единицу времени), уменьшается высота чувствительного слоя и уменьшается время нахождения трека в объеме камеры.Обычно в качестве источника пара используют пористые пластины, которые благодаря капиллярному эффекту поднимают рабочую жидкость со днв камеры в верхние сечения (Авторское свидетельство Я 100.754 (1952) на имя Ляпидевского В.К.), Такой, непрерывно действующий источник пара позволяет поддерживать постоянство рабочей смеси в течение длительного времени, пока поддерживается неизменный тепловой режим камеры, Если камера негерметична, то состав рабочей смеси устанавливается в соответствии с парциальными давлениями паров, находящихся в атмосфере, и при их постоянстве также не изменяется со временем.Существование движения газа и пара вкамере с нелинейным (возрастающим сверху вниз) градиентом температуры позволяет использовать это движение газа и пара для переноса пара в чувствительный слой, используя в качестве источника пара поверхность жидкости, налитой на дно камеры.Согласно п,9 формулы изобретения, центральную часть дна камеры поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна, При этом находящаяся вблизи стен при более высокой температуре жидкость испаряется, ее пары увлекаются потоком газа. движущегося вдоль стен в верхние сечения камеры и затем, основным цент, ральным потоком, вниз к центральной части дна,. которая имеет более низкую температуру. Вблизи центральной части дна пары охлаждаются и образуют область пересы- щенного пара в которой регистрируют треки заряженных частиц.Экспериментально определено, что выполнение первого независимого пункта формулы изобретения, а именно; создание по стенкам камеры возрастающего сверху вниз градиента температуры позволяет. установить в объеме камеры движение смеси газа и пара, благодаря которсму вблизи дна камеры возникает область пересыщенного 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 пара - чувствительный слой, в котором ре гистрируют треки заряженных частиц. Весьма важно подчеркнуть, что выполнение и.1 формулы изобретения, позволяет получать пересыщенный пар практически любой жидкости. Согласно законам термодинамики пересыщение, необходимое для образования капель на ионах, выражается формулой где г - радиус капли, а - коэффициент поверхностного напряжения, р - плотность жидкости, Т - температура параи - молекулярный вес пара, Й - газовая постоянная, е - заряд электрона. Видно, что никаких термодинамических ограничений на природу жидкости, которая может быть применена для получения необходимого для регистрации треков пересыщения не существует, Выбор рабочей жидкости определяется только удобством ее применения при применении заявляемого способа для решения конкретных задач. Основными факторами, влияющими на выбор рабочей жидкости является ее безопасность в применении и температуре кипения - Тк. Температура кипения жидкости в значительной мере определяет собой рабочие температуры дна и крышки камеры. Чем выше температура кипения жидкости, тем больше должна быть температура дна и крышки для получения требуемого пересыщения. Так, например, применение в качестве рабочих жидкостей ацетона, метилового спирта, этилового спирта, эфира и их смесей требует охлаждения дна до температур -40 -- 80 С при температурах крышки -5 - 15 С.Для работы при более высоких температурах требуются жидкости с большей температурой кипения, например, как указано в работе высокотемпературные, высокомолекулярные спирты иэ ряда: бутиловый спирт - Т,=.117", пиридин - Т,= 156,2, этиленгликоль Т=197,3, глицерин - Т=290 . Наиболее доступны и удобны в применении смеси спиртов с водой, например, смесь глицерина с водой. Это обусловлено тем, что состав такой смеси можно изменять произвольно. т,е, содержание одного иэ компонент можно изменять от нуля до 1, Соответственно этому изменяют и парциальное давление пара одного иэ компонент смеси, Кроме упомянутых жидкостей применялись также ацетон, бенэол, эфир, вода, анилин, парафин, пары нафталина. камфоры, Как уже упоминалось, любая жидкость и пары любого л 1.щества.и у быгь использованы для получения небходимого для образования новой фазы (жидкой или твердой) на ионах в пересы- щенном паре. Так например, при температуре ниже - 50 С в камере, заполненной воздухом и парами воды, наблюдались треки заряженных частиц, состоящие из кристалликов льда. Треки заряженных частиц, состоящие из кристалликов льда под действием сил тяжести опускаются на дно и могут сохраняться длительное время, зто позволяет регистрировать интегральный эффект, т.е, накопление большого числа треков, осевших на дно камеры в течение длительного времени,Такой же эффект при более, высоких температурах(выше комнатной) наблюдается при использовании в камере воздуха и паров парафина.Достаточно широкий диапазон рабочих температур можно получить, если взять две взаиморастворимые жидкости с различающимися более чем на 30 С температурами кипения, Это требование зафиксировано в П,6 формулы изобретения, Во всех случаях температура дна поддерживается ниже температуры конденсации пара, Регистрация треков происходит в результате конденсации пара на ионах и образования капель жидкости (или твердых частичек), которые оседают на дно, Для того, чтобы этот процесс проходил, необходимо, чтобы температура дна камеры была ниже температуры конденсации пара. Это условие содержится в П.2 формулы изобретения,Температура крышки камеры поддерживается выше температуры конденсации пара, заполняющего обьем камеры, для того, чтобы предотвратить конденсацию пара на поверхности прозрачного окна через коорое ведется наблюдение и регистрация треков, Конденсация пара на поверхность прозрачного окна ухудшает условия наблюдения, поэтому ее следует предотвратить, как зто указано в п,2 формулы изобретения.Формула изобретения 1. Способ регистрации заряженных частиц с помощью конденсационной камеры, заполненнсй рабочей средой, основанный на создании в камере эоны образования треков заряженных частиц чувствительного слоя и наблюдении треков в ходе регистрации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности измерения путем стабилизации степени пересыщения пара в чувствительном слое, вдоль стенок камеры создают возрастающий сверху вниз градиент температуры. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что возрастающий сверху вниз градиент температуры создают путем поддержания температуры дна ниже, а температуры крышки камеры выше температуры конденсации пара.3. Способ по пп;1 и 2,отл ич а ю щийс я тем, что, с целью наблюдения треков заряженных частиц, образованных радиоактивным газом, исследуемый газ используют в качестве компонента рабочей среды, а температуру дна камеры устанавливают выше температуры его концентрации.4. Способ по пп.1-3,. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью раздельной регистрации треков заряженных частиц. образующихся при распаде радона и его дочерных продуктов, содержащихся в воздухе, продукты распада радона в воздухе смещают в чувствительный слой электрическим полем, увеличивают в объеме камеры вблизи дна градиент температуры путем нагрева, причем нагрев прекращают после достиженияусловия Тв,-дТп, где Тк,д - время жизниВА, а Тп - время нахождения продуктов распада в чувствительном слое, которое определяют по времени существования трека в чувствительном слое.5. Способ по пп.1 - 4, о т л и ч а ю щ и й-. с я тем, что, с целью упрощения реализации способа, устанавливают температуру дна выше температуры окружающей среды,6. Способ по пп.1 - 5, о т л и ч а ю щ ий ся тем, что, с целью расширения области рабочих температур, в качестве компонента рабочей среды используют смесь вэаиморастворяющихся жидкостей с различающимися более, чем на 30"С температурамикипения,7. Способ по пп,1 - 6, отл ича ющи йс я тем, что в качестве компонент смеси используют жидкости из ряда: ацетон, вода. анилин,глицерин.8. Способ по пп.1-7, отл ича ю щи йс я тем, что, с целью спектрометрии заряженных частиц, треки наблюдают путем регистрации с помощью ФЭУ рассеянного на них зондирующего света и осуществляютамплитудный анализ импульсов с ФЗУ,9. Способ по пп.1 - 8, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью упрощения реализации способа, центральную часть дна камеры поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна.10. Способ по пп.1-9, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что вблизи дна создают градиент температуры не менее 3 С.