Способ измерения спектров линейных передач энергии тяжелых заряженных частиц

ОПИОАНИ К АВТОРСКОМУ РЕТЕНИЯ ВИДЕТЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ(56) Попов В.И. Методы ЛПЭ-спектрометрии ионизирущцих излучений. И.,Атомиздат, 1978, с.6-25.1 ЕТ чагдаСоп.шеазцгешепТв ЪеЬпййдНегцй аЬзогЬег йЬ 1 сЫпеввев опСозшов. - 1129 заге 111 йе. - АЙК БрасеКез, ч.1, р.55.-60, СОБРАН, 1981,АцйЬ.Р.НавЬефап аМ а 1,Патент США У 3770532,кл.156-7,опублик. 1973.НЕЕ рагс 1 а 1 раггйс 1 е гадаг 1 опзСцйев аЬоагй СовшозНеа 1 СЬРЬуз, 1978, т.35, У 5, р. 643-648,ОцСЬ Е.7, Вепеог апй а 1.(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕДАЧ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ при помощи диэлектрических трековых детекторов, включающий экспонирование детекторов в ЛО. 1080626 потоках частиц с неизвестными значениями линейных передач энергии (ЛПЭ), их одностороннее травление, поиск и измерение геометрических параметров треков частиц, определение по изме-, ренным длинам треков значений ЛПЭ в соответствии с известной калибро ночной зависимостью, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расши-. рения диапазона измеряемых значений ЛПЭ в сторону больших значений при сохранении заданной точности измерений и нижней границы диапазона, сто рону, не подвергаемую травлению, защищают от воздействия растворатравителя с помощью материала, не ЕФ подверженного травлению и не допускающего проникновения травителя на защищаемую сторону детектора, в том числе и через сквозные отверстия- треки, соответствующие частицам с большими значениями ЛПЭ, измеряют образовавшиеся в процессе травленияФаей сквозные треки в, виде правильных усе ченных конусов и по их геометринес ким параметрам определяют значения 4) ЛПЭ в области больших значений.ЬРИзобретение относится к областиядерной физики и дозиметрии, в част-ности к проблеме регистрации тяжелыхзараженных частиц диэлектрическимитрековыми детекторами, и может найтиприменение для измерения спектровтяжелых ядер космического излучениялибо от ускорителей.Измерение спектров линейных передач энергии (ЛПЭ) ионизирующего излучения, воздействующего на различныеобъекты, необходимо для количественной интерпретации наблюдаемых эффектов и .нормирования условий работы сизлучениями;Для измерения спектров ЛПЭ используются различные детекторы, чувствительность которых является однозначной функцией ЛПЭ. К ним относятся 20.газовые пропорциональные счетчики,низкоэффективные счетчики Гейгера,ионизационные камеры, сцинтилляторы,трековые приборы. Трековые приборы -ядерные фотоэмульсии очень удобны 25и широко применяются в условиях измерений, когда ограничены размеры,вес, энергопитание применяемых приборов, например, при проведении измерений в космосе. 30Однако ядерные фотоэмульсии имеютотносительно узкий рабочий диапазонот десяти долей до нескольких десятков килоэлектронвольт. Использованиенабора фотоэмульсий с различными по 35рогами регистрации позволяет получатьспектры ЛПЭ менее трудоемким способоми в более широком интервале величинЛПЭ, однако и в этом случае, из-заОтсутстВия низкочуВстВительных Фото 40эмульсий, верхний предел измеренийЛПЭ не превосходит 100 кэВ/мкм,Вместе с тем диапазон значенийЛПЭ 100 кэВ/мкм существенен при анализе радиационного воздействия космических лучей на космонавтов и в рядедругих ситуаций,Известен способ измерения спектровлинейных передач энергии (ЛПЭ) тяжелых заряженных частиц с помощью диэлектрических трековых детекторов,основанный на однозначной зависимости между значением.ЛПЭ частицы и размерами трека, образуемого частицейв месте пересечения поверхности де 55.Тектора при соответствующих условияхобработки детектора. Детектор экспонируют в потоке частиц (ТЗЧ) с неизвестными значениями ЛПЭ, при этом частицы, проходя через материал детектора, разрушают структуру вдольсвоих траекторий, создавая областискрытых нарушений - "латентные треки". В процессе обработки пленочныхдетекторов в специально подобранныххимических растворах (травление)вдоль этих областей на обеих поверхностях пленки появляются пустотелыеконусы, направленные вдоль траекторий частиц навстречу друг другу -треки, причем размеры конусов при заданном режиме обработки зависят главным образом от ЛПЭ частиц в местахвзаимодействия с материалом детектора. На фиг.1 изображены детектор 1,треки 2,3. Измерив под микроскопомдлину конуса Ь (трек 2) и зная. длительность травления, можно рассчитатьсреднюю скорость травления Вдольтрека Ч, Поскольку между величинами7, и ЛПЭ частицы существует однозначная возрастающая зависимость, вид которой определяется из калибровочныхизмерений длин конусов, это позволяет измерять спектры ЛПЭ. Однако указанный способ обеспечивает измерение значений ЛПЭ частиц лишь в довольно узком диапазоне. Наличие нижней границы измеряемого. диапазона ЛПЭ пор. обусловлено пороговым характером регистрации ТЗЧ в диэлектрических трековых детекторах -частицы со значением ЛПЭЛПЭ пор. не производят в материале детектора радиационного нарушения, достаточногодля последующей визуализации с.помощью травления, и в процессе просмотра под микроскопом не наблюдаются. Ограничение измеряемого диапазона ЛПЭ сверх ЛПЭ гр. объясняется тем, что при значениях линейных передач энер- гии вьппе некоторых граничных ЛПЭ гр. в пленочном детекторе образуется сквозной трек 3 в виде слившихся конусов, что делает невозможным измерение длины каждого конуса в отдельности, а следовательно, вычисление значений ЛПЭ)ЛПЭ гр. Определить длину каждого конуса в отдельности для такого сквозного трека путем измерениядополнительных геометрических параметров (например, измеряя диаметр трека в наиболее узкой его части) такжене представляется возможным, поскольку после слипания конусов в лвоцессе дальнейшего травления форматрека 3 все более отличается от конической..Образования сквозных конусов можно было бы избежать путем уменьшения длительности травления лйбо посред 5 ством изменения условий травления. Однако в этом случае снижается точность измерения длин конусов, соответствующих частицам с малымн эначе ниями ЛПЭ, значительная часть таких треков вообще остается невыявленной, что приводит к смещению вправо нижней границы диапазона ЛПЭ гр. и, в конеч- . ном счете, к уменьшению диапазона измеряемых значений ЛПЭ.Существенно расширить диапазон ЛПЭ может одностороннее травление детекторов, В этом случае образование сквозных конусов в детекторе происхо дит при значительно больших значениях ЛПЭ (трек 3), что позволяет под: нять верхнюю границу диапазона ЛПЭ гр. без снижения точности измерений и при постоянном значении нижней гра ницы диапазона ЛПЭ пор. Кроме того, при одностороннем травлении детекто-. ра появляется возможность измерять значения ЛПЭ практически для всех сквозных треков., Для этого необходимо одну из сторон детектора полностью изолировать от воздействия растворатравителя например, с помощью ппотно прилегающей самоклеющейся ленты-скотча. В этом случае равномерный доступ раствора-травителя во все участки сквозного трека обеспечивает формирование сквозных треков 4 в виде правильных усеченных конусов (фиг.2). Измеряя входные Д, и выходные Д дна метры треков, можно вычислить их пол-;,40 ную длину Ь и по ней определить Ч и ЛПЭ; Применение таких измерений в сочетании с односторонним травлени ем позволяет расширить диапазон измеряемых значений ЛПЭ в 3,-4 раза.45Известен способ, обеспечивающий одностороннее травление детекторов, облученных тяжелыми.ионами с известными значениями ЛПЭ при помощи калиброванного источника и применяемыхв.качестве микрофнльтров. В процессе травления одна иэ сторон детектора контактирует с веществом, способным пРекращать травление. Это вещество может быть по отношению к травителю , нейтрализатором либо нейтральной средой. В процессе травления при образовании сквозного отверстия травитель контактирует с нейтрализатором нлинейтральной средой и в месте контактатравление прекращается, Использованиетакой улучшенной методики позволяетполучать небольшие отверстия 5, однородные по размерам (фиг.З), т.е. значительно повысить качество микро-.фильтров.Однако применение такого способаодностороннего травления при измерении спектров ЛПЭ не позволяет определять значение ЛПЭзЛПЭ гр. для .сквозных треков, поскольку в этомслучае они будут иметь форму, сущест.венно отличающуюся от конической.Достоинство метопики, применяеиойпри изготовлении микрофильтров (одинаковые по величине выходные отверстия треков), является недостаткомпри измерении треков с заранее неиз-вестными значениями ЛПЭ, посколькупроцесс травления в различных частяхсквозного трека 6 идет неодинаково(фиг.З). Вблизи выходного. отверстиятравление приостановлено, концентрация травителя нулевая; здесь процесс .цтравления не идет. В верхней частитрека концентрация травителя обычная,средняя для всего объема раствораздесь трек травится обычным образом.Травление промежуточных частей трека происходит неравномерно в зависимости от концентрации травителя,обусловленной, в свою очередь, вэаим.ной диффуэией растворов.травителя ннейтрализатора. В результате образуются треки неправильной, воронкообразной формы. Вычислить для них длину трека и определить ЛПЭ не представляется возможным,Известны способы, обеспечивающиеодностороннее травление детекторов,например, путем расположения детектора на поверхности раствора-травителя либо использования его в качестве днища или стенок ванны с раствором. Но все эти способы не могутобеспечить защиту от воздействиятравителя противоположной стороныдетектора при образовании сквозныхтреков. Так, при размещении пленочного детектора на поверхности травителя практически невозможно подобрать глубину погружения пленки,при которой треки протравливалисьбы до конца, но при этом ни каплираствора не.попадало бы на противо-положную поверхность.1080626 5Наиболее близким к изобретениюявляется способ измерения спектровЛПЭ тяжелых зараженных частиц с помощью диэлектрических трековых детекторов, включающий экспонированиедетекторов в потоках частиц с неизвестными значениями ЛПЭ, их одностороннее травление, поиск и измерениегеометрических параметров трековчастиц, расчет по измеренным длинамтреков значений ЛПЭ в соответствиис известной калибровочной зависимостью,Основной недостаток этого способа - возможность измерения значенийЛПЭ только в довольно узком диапа-.зоне,Целью изобретения является расшиэение диапазона измеряемых значенийГ,20; ЛПЭ в сторону больших значений при сохранении заданной точности измерений спектра и нижней границы из- меряемого диапазона в области малых значений ЛПЭ пор.25Цель достигается тем, что в .способе измерения спектров ЛПЭ тяжелых зараженных частиц при помощи диэлектрических трековых детекторов, включающем экспонирование детекторов в пото-ках частиц с неизвестными значениями ЛПЭ, их одностороннее травление, поиск и измерение геометрических пара,метров треков частиц, расчет по измеренным длинам треков значений ЛПЭ всоответствии с известной калибровоч- Бной зависимостью, в процессе травления пленочных детекторов сторону, неподвергаемую травлению, защищают отвоздействия раствора-травителя спомощью материала, не подверженноготравлению и не допускающего проникновения травителя на защищаемую сторонудетектора, в том числе и через сквозные отверстия-треки, соответствующиечастицам с большими значениями ЛПЭ,измеряют образовавшиеся в процессетравления сквозные треки в виде правильных усеченных конусов и по ихгеометрическим параметрам определяют ЛПЭ в области больших значений. 50 1В качестве материала, не подверженного травлению, может быть применена самоклеющаяся лента-скотч. После травления расчет полной длины каждого сквозного трека производится на осно ванин измерений входного Д, и выходного Д, диаметров трека, именщего правильную коническую форму. 6Способ заключается в следующем. Пленочные диэлектрические трековые детекторы, экспонированные в потоках ТЗЧ с неизвестными заранее значениями ЛПЭ (например в космических лучах) подвергаются одностороннему химическому травлению в условиях, оптимальных для обработки данного типа детектора. Перед травлением на одну из сторон каждого детектора плотно наклеивается специальный скотч, основа и клеющий слой которого не подвержены разрушению в процессе травления, После травления непрозрачный скотч удаляется и детекторы просматриваются под микроскопом в проходящем свете. В процессе просмотра для несквозных треков измеряются .герметические. параметры входного отверстия и длина проекции видимой части конуса. Для сквозных конусов дополнительно измеряются параметры выходного отверстия трека. После этого для всех треков вычисляется значение полной длины конуса Ь, по которой, на основании калибровочной зависимости, определяется значение ЛПЭ. Таким образом, применение предложенной методики обработки и просмотра детекторов позволяет построить спектр ЛБЭ практически по всем частицам, зарегистрированным в детекторе.П р и м е р, Диэлектрические тре-. ковые детекторы из нитрата целлюлозы Кайа 1-Районе СА 80-15 толщиной 100 мкм, полностью аналогичные применяемым в .способе-прототипе, экспонировались на орбитальной станции "Салют" в потоках частиц с неизвестными значенияьы ЛПЭ. В ходе эксперимента "Интеграл", одной из целей которого являлось определение спект" ров ЛПЭ тяжелых ядер внутри оболочки станции, детекторы в течение длительных промежутков находились в различных местах корабля. После полета бы-ф ло обеспечено их одностороннее травление при условиях, полностью аналогичных тем, которые изложены в .прототипе (2,5 нводный раствор ЯаОН температура 40 С, время травления 10 ч). Перед травлением одна из сторон каждого детектора (не подвергаемая травлению) быпа заклеена самоклеющейся лентой Ргеззпге ЯепзС 1 че Таре ЗсойсЬ, основа и клеющий слой которой не разрушаются при воздействии раствора-травителя. Просмотрдетекторов под микроскопом показал, что сквозные треки имеют форму пра" вильных усеченных конусов, В ходе . просмотра производились поиск и иэме 5 рения геометрических параметров треков частиц, т.е, образовавшихся в процессе травления сквозных треков в виде правильных усеченных конусов 1 длины проекции видимой части трека, диаметров входного и выходного отверстий.,После просмотра для каждого трека была вычислена его полная длкна и по ней определено значение ЛПЗ в области больших значений. Калибровочные измерения и определение зависимости скорости травления вдоль трека от ЛПЭ были проведены на детекторах, облученных на ускорителе тяжелых заряженных частиц, Химическая20 обработка" калибровочных и исследовательских детекторов проводилась одновременно в идентичных условиях, При построении спектра ЛПЭ по результатам измерений выяснилось, что границы диапазона измеряемых значений ЛПЭ частиц существенно .расширились в об-ласти больших значений, значения ЛПЗ зарегистрированных частиц лежали в пределах 100 ЛПЗ, кэВ/мкм 500 (в способе-прототипе 100 ЛПЭ, кэВ/мкмс 200) 1Таким образом, применение предложенного способаизмерения спектров линейных передач энергии позволяет без ущерба для точности в несколько раз расширить диапазон измеряемых ЛПЭ в области больших значений по сравнению со способом-прототипом.1080626 идам Техред Л.Сердюкова Корректор О. Кравцова Редактор Н. Сильнягина Заказ 996 Тираж 522 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета, СССР по делам йзобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5