Способ выбора параметров детекторов, используемых при идентификации продуктов ядерных реакций по величине удельной ионизации и полной энергии

,2 (088,8) ТРОВ ИДЕНТИ ИЙ П ПОЛНО й с я(5 ДЕТ ВЕ ЭН возмоизмерют таргииохождслед Ф е нонико е Е Иэоб енталься обеспечить дразрешение какэнергии, особенмых ядерных рев результате ктолы с массой,ком диапазоне.Согласно изпения продуктопульсы с детектпользуемых для таточно хорош е е ф нои яДля решенйпутем идентиреакций го вэации и полнтектора дляпотерь (ДЕ)при прохождетор (ионизациполупроводни ах,змерения иониэацио ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНПРИ ГКНТ СССР)(57) СПОСОБ ВЫБОРА ПАРАМЕ ЕКТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ КАДИВ ПРОДУКТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАЛ ЛИЧИНЕ УДЕЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ЕРГИИ, . о т л и ч а ю щ и м, что, с целью расширения стей способа, детектор для я удельной ионизации выбир й толщины, чтобы потеря эн ализируемого изотопа при и и через детектор была равн ей величине12 -(1 М 83,5 Е п К 2) 1 п( е 459относится к экспериерной физикея широкого класса задач фикации продуктов ядерных еличине их.удельной ионий энергии с помощью дезмерения ионизационных нализируемых продуктов ни их через этот детек- . онную камеру или тонкий овый детектор) требуетгде Е - энергия изотопа перед входомв этот детектор, соответствующая максимальной энергии анализируемогоспектра; М - массовое число; 1 -средний потенциал ионизации атомоввещества детектора; 1 - задаваемоеотносительное расстояние между центрами тяжести распределений ионизационных потерь сосецних изотопов дляодной и той же начальной энергии их,которое в случае равенства двум соответствует практически полному разделению этих распределений, а при равенстве единице - практически полномуслиянию их; 1 - относительное ухудшение разрешения по энергии такогодетектора из-за конечной величинырасходимости пучка анализируемыхпродуктов ядерных реакций, качествадетектора и т.д.; К- относительноеразрешение по энергии детектора, используемого для измерения оставшейсяэнергии изотопа, который выбирают с"таким относительным разрешением поэнергии, чтобы оно было меньше величины 1/1 М(2,по массе, так и поно для изучения пря"кций на тяжелых ионторых образуются изоизменяющейся в широ. естному способу разде ядерных реакций, иморов телескопа, ис(4) ных потерь и оставшейся энергии (Е - Л Е), подаются для регистрации их в многомерный анализатор. При реализации этого способа с целью исключения вклада в разрешение Е-детек 5 тора, возникающего из-за разброса энергий в результате прохождения анализируемого изотопа через АК-детектор, и восстановления его энергии используют электронную схему суммирования. Так как с точностью до логарифма удельная ионизация изотопа(где В - сопаС; М - массовое число изотопа; Е - его зарядовое число;Е - энергия изотопа перед входом в ЛЕ-детектор), то в результате на20 плоскости анализатора, на которой по оси абсцисс откладывается АЕ, а по оси ординат Е, получают "гиперболы , соответствующие различным изо 1топам25 Подбор разрешений по массе и энергии ведется полуэмпирическим спосо 30 бом в каждом случае с большой затратой дорогостоящего циклотронного времени. Такой подбор основных параметров детекторов практически исключает полную реализацию всех возможностей способа.35Цель изобретения - расширение возможностей способа выбора параметров детекторов, используемых для разделения продуктов ядерных реакций но методике (ЯЕ,Е) при минимальной потере40 информации об их энергетических спектрах и для получения детальной информации об отдельных участках этих спектров при изучении механизма прямых ядерных реакций и при анализе структуры ядер с помощью таких реакцийаЦель реализуется выбором такой толщины детектора для измерения удельной ионизации, чтобы потеря энергии анализируемого изотопа при прохождении через детектор была равна следующей величине Е-Е 1 с 1 г М 83,5- 1 г Мг Кг ) 1 п( --- ХМ)459 где Е - энергия изотопа перед входом в этот детектор, соответствующая максимальной энергии анализируемого спектра; М - массовое его число; 1 - средний потенциал ионизации атомов вещества такого детектора; 1 - задаваемое относительное расстояние между центрами тяжести распределений ионизационных потерь соседних изотопов для одной и той же начальной энергии их которое в случае равен- ства двум соответствует практически . полному разделению этих распределений, а при равенстве единице - практически полному слиянию их; О( - относительное ухудшение разрешения по энергии такого детектора из-за конечной величины расходимости пучка анализируемых продуктов ядерных реакций, качества детектора и т.д.; Ке - относительное разрешение по энергии детектора, используемого для измерения оставшейся .энергии изотопа, который выбирают с таким относительным разрешением по энергии, чтобы оно было меньше величины (1/1 М 2).От разрешения по энергии АЕ-детектора зависит идентификация продуктов реакций по методу (ДК,Е) . Она определяется в основном статистическими флюктуациями ионизационных потерь заряженных частиц при прохожде- . нии их через детектор, На основании формулы Бете-Блоха для средней потери энергии на единицу пути для частиц тяжелее электрона в нерелятивистском случае; формулы для средне-квадратичной флюктуации потерь энергии для таких частиц при условии а также с учетом соотношения междушириной на половине высоты распределения ионизационных потерь и среднеквадратичной флюктуацией в случае,когда такое распределение близко ккауссовскому, можно получить .следующую зависимость относительного разрешения по энергии для ВЕ-детектора к р -- :Илк- (аЕ/2 Е) щ Е Йе 1 67 Так как Е/М по "гиперболе" для одного и того же изотопа с (М, Е) на(7) в виде уравнения плоскости (ЛЕ,Е) изменяется быстрее,Ечем 1 п( --- 1 М), а Л Е увеличивает 459ся при уменьшении Е/М, то, как следует из (4) разрешение по "гиперболе" улучшается в сторону уменьшенияЕ/М до тех пор, пока вклад в разрешение от эффекта перезарядки еще мал.Следовательно, достаточно обеспечить 1 рразрешение по массе по методике(ЛЕ,Е) при максимальном значенииЕ/М. Тогда выбор разрешения будетопределяться только йЕ, т.е. давлением газа в случае ионизационной камеры иж толщиной полупроводниковогодЕ-детектора,Расхождение эксперимента с расчетами по формуле (4) согласуется сразличием пробегов частиц в чувствительном объеме камеры из-за конечного телесного угла и натяжений майларав окнах камеры. Следует учесть, чтопри получении формулы (4) с цельюсохранения удобного аналитического, 25вида ее не полностью учтено изменение скорости частицы вдоль ее пути.Поэтому отличие значений, рассчитанных по формуле (4), от численных расчетов Чэлера точного кинематическогоуравнения для флюктуаций ионизационных потерь, выполненных с помощьювычислительной машины, составляет0,96 ( (К(4)/К 1 Е (Чэлер0,9935 В интересующем нас интервале 0 ( (ВЕ/Е) 4 0 5И, следовательно, формулу (4) пракО тически можно использовать для выбора необходимого разрешения для ЛЕ-детектора по методике (АЕ,Е) в указанном диапазоне изменения ЛЕ/Е.Так как всегда экспериментальное разрешение АЕ-детектора хуже теоретического из-за конечной величины расходимости пучка анализируемых продуктов ядерных реакций, формируемого с помощью коллиматорови неидеального качества детектора, то в формулу (4) следует ввести коэффициент , учитывающий .это обстоя- тельство К ф 6 ЛЕМ 1 -(ЛЕ/2 Е)и 1= к(8)лЕКде (расходимость пучка, качество детектора) рассчитаывается в каждом конкретном случае с достаточной точностью, так как геометрия эксперимента заранее известна, а отклонение качества ЛЕ-детектора от идеального заранее измеримо.Определим отношение ЛЕ/Е, при котором наступит разделение распределений ионизационных потерь двух соседних изотопов с (М, 2) и (М+1,2) и с одинаковой начальной энергией Е при условии, что разрешение по энергии Е-детектора и "толщина" по энергии Е-плоскости анализатора равны нулю, а также используется схема суммирования.Для простоты заменим распределение ионизационных потерь изотопа равнобедренным треугольником таким образом, чтобы совпадали их высоты и ширины на половине высоты, что практически выполнимо с достаточной точностью. Возьмем худший случай, когда интенсивности распределений двух соседних изотопов одинаковы.Тогда, если 1: ВЕ(М+1) - Л Е(М)3/ с 3 (М), (9) где ЛЕ(М) и ЛЕ(М+1) - энергии центров тяжести распределений ионизационных потерь соседних изотопов; д 4 Е(М) - ширина на половине высоты распределения изотопа (М, 2), равно единице, то распределения соседних изотопов сольютсяВ случае же равенства 1 двум эти распределения полностью разделятся, Дальнейшее увеличение 1 не приведет к практическому улучшению разрешения по массе, а только увеличит аппаратурный порог по энергии из-за увеличения толщины ВЕ-детектора, что приведет к "образованию" энергетических спектров этих и более легких изотопов.На основании изложенного легко определить необходимое разрешение по энергии ЛЕ-детектора для разделения распределений двух соседних изотопов, которое следует из необходимого условия (9), где10 И тогда на основании уравнений (15), (16), следует, что для получения изотопного разрешения Е-детектор необходимо выбрать такой, чтобы всег- да Е 1 Их 1 п( -- .1 М)3) 459(1 2) Например в случае Е/М = 6,8 МэВ/ , /нуклон, с = 1 и 1 = 2 отношение15 3 Е/Е для ионов от С до Аг для кремниевого детектора лежит в области ,-0,07-0,25Следует отметить, что верхняя граница по М в формуле (12) ограничена 20 значением 1 Е/Е, при котором вклад в разрешение ЛЕ-детектора от эффекта перезарядки значителен.Теперь учтем вклад Е-детектора в изотопное разрешениеметодики, так как из-за существования конечной величины его разрешения по энергии будут неразрешены распределения для одного и того же изотопа с энергией от Е до Е + У, где 3 - ширина рас- З 0 пределения по энергии на половине высоты. И чтобы сохранить изотопное разрешение (12), нужно увеличить отношение дЕ/Е, т.е, найти такое 11 М 7 Г(18) а нижняя граница очевидна.В каждом конкретном случае Е-детектор выбирается, исходя из условий экспериментальной задачи и практичес-, ких возможностей.Например для интервала изменения ВЕ./Е до 0,2 в результате разложения в ряд Тейлора (17)получают ДЕ /Е й 1 1 ф (1 - 1 ф Мф К )" М ь = 167(13) п 1 находим, что при котором изотопное разрешение станет равным определяемому по формуле(11). Так как вклад Е-детектора визотопное разрешение составляет Кй а ВР (ЕЕ 4 Е ) /(1 - Я Е/ДЕу) (20) 40ЬеЕ -Далее, а точки зрения удобства, вы- бираем ЛЕ(М,Е) " д Е(М),Е+сРЕ) /ДЕ(М,Е)2 К(1 4)45где К- относительное разрешение поэнергии Е-детектора, то всегда должногдевыполняться следующее неравенство Е = (4 Е /Е)(22) г+17 1,К, с(1/ М). О 5) 50 так как в случае равенства нарушитсяобязательное условие (15) .Можно определить разрешение поэнергии Е-детектора, при котором еговклад в изотопное разрешение будет55 минимальным, если В противном случае распределенияионизационных потерь соседних изотопов сольются. Тогда для разделения этих распределений, чтобы сохранить условие (11), необходимо выполнить следующее условие(1/1 фМф) фф Кф дЕ (М,Е) + К, (16) 7 432830 8К (М) =сРЕ (М)/ЛЕ(М) = 1 /1 М (1 1)Из этого условия получаем и. ИДЕокончательно уравнение (12) перепиИ тогда для разделения распределений шется следующим о разомм об азом, двух соседних изотопов на основании(26)Таким образом с помощью вышеопи 5санного способа можно получить иэотопное разрешение при минимальной потере информации по энергии, а такжеполучить детальную информацию об отдельных участках энергетических спектров анализируемых продуктов ядерныхреакций,Ф Е/ЛЕ)1 Так как для ДЕ/М = 7-10 МэВ/нуклон ЛБ/Е для легчайшего изотопа (Мф 2) равно 0,01, то условие (24) выполнимо при й0,5. Взяв последнее за основу, получим, чтоК М(1/1 М) д Е р(И,Е)/Е 3, (25) СоставительЭ,Яшкова Редактор Н.Сильнягина. Техред М,Ходанич Корректор И,МускаЗаказ 755 Тираж 694 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101