Способ регистрации низкоэнергетичных ионизирующих частиц

(54 6 01 ССРРЫТИЙ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМ О ДЕЛАМИЗОБРЕТЕНИИ.".;-.ы, "(гое) "4Ь.цВТЕХ.;4:;.;:,(ДЦд;,;," ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЬСТВУ АВТОРСКОМУ В 29.Л. Варенц ститут ядернойтантинова ериментальн Л., ЛГУ, р., ЭТФ етельство СССР 1/18, 1975(54)(57) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЪХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ,основанный на измерении ионизациирабочего газа между двумя электродами, заключающийся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения эффективности регистрации при сохранениинизким порога регистрации, рабочийгаз в межэлектродном пространствеприводят в сверхзвуковой режим течения.Способ относится к области физического эксперимента и может бытьиспользован при исследованиях с низ-.коэнергетичными ионами и электронами для эффективной их регистрациии измерения энергии с помощью газовых ионизационных детекторов.Регистрация ионизирующих частиц,использующая ионизацию рабочего газа в объеме между двумя электродами при прохождении заряженных частицчерез газ, нашла широкое применениев самых различных областях техникии экспериментальной физики. Она может осуществляться в трех режимах: 15ионизационном, пропорциональном игазоразрядном 1.Ионизадионный режим используется,как правило, для регистрации частиц,создающих большую удельную ионизацию (о-частицы, другие ядра с большой энергией). В этом случае ионизационный ток при постоянном потокеионизирующего излучения не зависитот небольшого изменения приложенного 25к камере напряжения.Для регистрации отдельных частицс малой удельной ионизацией (электроны, ядра с малой энергией) применение ионизационного режима регистрации практически невозможно, так какимпульсы тока, возникающие в этомслучае при прохождении ионизирующихчастиц через рабочий газ, очень малыи амплитуды их сравнимы с шумамирадиотехнических устройств.С целью увеличения амплитуды им-,пульсов используют. газовое усиление ионизационного тока за счет вторичной ионизациипри движенииэлектро- щ 0нов в сильном электрическом поле. Вэтом случае возникает лавинный процесс газового усиления ионизационноготока, Если коэффициент газового усиления не зависит от числа первичныхпар ионов то имеют дело с пропорциональным режимом регистрация,1В газоразрядном режиме используютсамостоятельный разряд в газе, возникающий при определенной, довольно вы сокой разности потенциалов, прило -женной к электродам регистрирующейсистемы. Давление рабочего газа вэтом режиме обычно выбирают порядка10 мм рт.ст, В этом режиме осуществля-ется лишь регистрация частиц без из -мерения их энергии, При регистрациинизкоэнергетическлх 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 регистрируемых 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 нижний энергетический порог регистрации частиц.Для тяжелых ядер (сА - 100 а.е.м) с энергией порядка 100 КэВ пробег в2 гелии составляет величину . 10 мкг/см . Для ядер с меньшими А и для более тяжелого, чем гелий (А=4 а.е.м.), про.бег замедлителя будет еще меньше, В настоящее время нельзя сделать механически прочную пленку, способную выдержать перепад давлений1 100 мм рт.ст. и имеющую толщину2 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 21.В данном способе регистрируемые частицы вводились в объем рабочего2 газа через очень тонкую (31 мкг/см ) коллодиевую пленку в окне, разделяющую объем детектора и высоковакуумный тракт. Минимальная энергия регистрируемых ионов и электронов огра - ничена толщиной пленки. Работа в ионизационном и пропорциональном режимах не 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 объем 31.Способ основан на регистрации ионизирующих частиц с помощью газоразрядного счетчика низкого давления ифотоэлектронного умножителя. В данном способе в газоразрядном счетчике поддерживалось давление рабочего газа 10 - 10 мм рт,ст. Малое дав3 9614 ление рабочего газа позволило авторам использовать свободное от пленки ок-.ноНесмотря на то что в данномспособе использовался газоразрядный режим, сигнал на электродах получал ся очень малой амплитуды. Поэтому использовали для счета частиц сигнал от фотоумножителя, возникающий в момент зажигания разряда.Основными недостатками данного 10 способа являются довольно низкая его эффективность 5-6 Е для электронов с энергией 15 КэВ и 24-287. для энергии электронов 1000-500 КэВ и невозможность использования способа для 15 газовых ионизационных детекторов в пропорциональном и ионизационном режимах и, следовательно, невозможность измерения энергии регистрируемых частиц. Эти недостатки обу словлены невозможностью создания более высокого давления рабочего газа без заметного ухудшения вакуума в прилегающей к детектору системе.Целью изобретения является ловы шение эффективности регистрации при сохранении низким порога регистрации,Это достигается тем, что в способе регистрации низкоэнергетичных ионизирующих частиц, основанном на 30 ионизации рабочего газа между двумя электродами, заключающемся во введении частиц через беспленочное окно в рабочий объем, рабочий газ в межэлектродном пространстве приводят в35 сверхзвуковой режим течения любым из известных способов.На чертеже представлена схема, поясняющая предлагаемый способ. Устройство состоит из камеры 140 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, ка- ф 5 меры отсекателя 8, изоляторы 9.и 10 системы крепления нити и подачи высокого напряжения.Между катодом и анодом поддерживается высокая разность потенциалов. 50 Сигнал снимается с анода.Предлагаемый способ состоит в следующем. Рабочий газ, находящийся при достаточно высоком давлении (от 0,01 до 10 атм) в камере напуска 1, пода ют через сверхзвуковое сопло Лаваля 2 в камеру отсекателя 8.При истечении в вакуум сверхзвуковой поток га 61за, 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 пристеночный пограничный слой газа, который приводит к размытию границы между струей и вакуумом. Если не принимать специальных мер, например охлаждения 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 3Пучок ионов или электронов низкой энергии поступает в рабочий объем детектора 3 через свободное от йленки окно 5. В результате иониэации при прохождении заряженных частиц в газе образуются электроны и ионы. Ионизация происходит в объеме между двумя электродами (ано= дом 4 и катодом 6), между которыми приложена разность потенциалов К . 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 со 6ставляет 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 сопло Лаваля 2 выполняют из изолирующего материала. Нить анода 4 крепится на оси системы с помощью изоляторов 9 и 10.Излишки рабочего газа из камеры отсекателя и из рабочего объема откачиваются с помощью системы насосов ( направление показано стрелками на чертеже).Такое техническое решение позволяет обеспечить широкий диапазон плотности газа в рабочем объеме детектора, не ухудшая вакуум в прилегаю961461 Редактор О. Юркова Техред М. Надь Корректор В. Гирняк Тираж 748 ПодпфноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Заказ 5720/1 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 щих частях установки, В пересчете на толщину газовой струи в рабочем объеме Ъ= уо , где р- плотность в струе (мкг/смз), д - диаметр струи (см), обеспечивают толщины Ъ в диапазоне , (5 10- 10 ) мкг/см.Изменение плотности рабочего газа в рабочем объеме детектора осущест вляется за счет изменения давления раО бочего газа в камере напуска 1 и степени расширения газа в сверхзвуковом сопле Лаваля 2 и в камере отсекателя 8.Широкий диапазон давлений и .от сутствие пленки, закрывающей входное окно детектора, позволяет использовать предлагаемый способ для регистрации ионов и электронов в любом из указанных выше режимов. 20 Верхний предел энергии регистрируемых частиц в режиме измерения энергии определяется максимально достижимой толщиной газа в рабочем объеме детектора (100 мкг/см ) и составляет 252величину: для ионов - порядка сотен КэВ, для электронов - порядка десятков КэВ. Нижний энергетический порог регистрации определяется способностью регистрируемых частиц произво- ЗО дить ионизацию рабочего газа, т.е. равен или несколько больше потенциала ионизации атомов рабочего газа (порядка десятков эВ).П Р и м е Р 1. Для Регистрации 35 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. Давление газа 40 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 1007П р и м е р 2. Для регистрации тяжелых ионов и диапазоне энергий от 100 эВ 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 смРадиус нити анода 0,01 смРазность потенциалов между анодом и катодом Ч = 570 ВКоэффициент газового усиления К 100В этом случае толщина газовой струи в рабочем объеме детектора 30 мкг/см2 что и обеспечивает работу детектора в указанном диапазоне энергий тяжелых ионов практически со 1007-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 1007