Гамма-резонансный затвор

(22) Заявлено 01.03.79 (21) 2731533/18-25 (51) Щ. Кл. с присоединением заявки РЙЙ 01 Т 1/16 6 01 Т 7/00 Гаоудеротмнаа комитет СССР.Дата опубликования описания 07.12.81 по делам иэабретеиий и открытий(54) ГАММА-РЕЗОНАНСНЫЙ ЗАТВОР .1 ; "," Изобретение относится к экспериме тапьной физике и может быть использовано при исследованиях в ядерной физике,физике твердого тела, а также в другихнаучно-фгехнических областях, в которыхиспользуется гамма-резонансная спектроскопия (эффект Мессбауэра),Известны пьезоэлектрические вибраторы дпя модуляции источника гамма-лучей,выполненного в виде тонкой радиоактивной фольги, имеющей необходимую акустическую связь с одной иэ сторон пьезо;эпектрического элемента 11,Наиболее близким к предлагаемомуизобретению является затвор дпя резонансных гамма-лучей магнитоэлектрическоготипа, содержащий резонансный поглотитель в виде металлической фольги и вкпюченный тракт регистрации с использованием цепей .синхронизации 21Необходимая величина относительнойрезонансной скорости источник-поглотитель достигается эа счет пондермоторных .(механических) сил, возникающих . при пропусканин тока через фольгу, помещенную между полюсами постоянного магнита, В качестве черного (мессбауэровского) поглотитепя резонансных гамма-лучей используется фольга (топшиной 55 мкм) из нержавеющей стали, обогащен ной массбауэровскими ядрами железа (150/ 57 Рв )Это устройство имеет сравнительнобольшие габариты и вес вспомогательных элементов затвора, в частности магнита, что ограничивает эксплуатационные возможности магнитоэпектрическо го затвора и затрудняет его нспопьзование (путем непосредственного размещения внутри криостата) в широком диапазоне температур; неблагоприятные воэдей ствия на исследуемый образец. магнитных полей рассеяния со стороны магнита затвора, а также невозможность .прямого использования резонансных поглотителей, не обладающих хорошей эпектропроводнос тью,. например двуокиси олова и гематита,152 О сить на проводящие и достаточно прозрачные дпя исследуемого гамма излученияподложки, но это можно ухудшить параметры затвора и тел/пературный режимрезонансного погпотитепя. Кроме того,определенные трудности возникают при использовании коротких по дпитепьностиимпульсов тока ( - 10 с), необходимыхдля срабатывания затвора, К неблагоприятным факторам следует отнести интегрирующее впияние индуктивности фольги иее токоподводящих элементов (держателей и т,п.) на проходящие через них импульсы тока, длительность которых /, ,ИЛ 1 Г/должна быть прибпизительно на порядоккороче времени непрозрачности затвора:-Я1 о -10 с при пиковом значении тока / /,и 5 А и напряженности магнитногополя затвора 5 кЭ, Дапее, посколькув у-"о.скважкосуь импульсов еокафс саеимпТ период следования разнополярных токовыхил/пульсов, то при с 10 фронты этих ил/- пупьсов оказываются настолько короткими, что гпубчна проникновения тока в 2фольгу (скин-спой) становится меньшеиди, в цучшем спучае,соизмеряемой с топщиной фопьги. При использовании же реэонансн/ых поглотптепей из магнитногоматериапа с достаточно большой начальной магнитной проницаемостью (/ф), например фольги из чистого железа (жепеэо Армко,",Р 200) скин-слой составляет лишь небольшую часть топшины фольги, используемой в прототипе, Это может3нарушить работу затвора и, во всякомспучае, изменит его температурный режим. Необходимо отметить, что под вени иной периода Т спедует понимать интервап ме:кду соседними, разнопонярными,а не одноппярными импу/тьсами, поскольку тепловой эффект тока в проводникахимеет квадратный характер, Поэтому при( 10, среднее значение тока и мапиС/жет достигнуть величины, при которой будет превышена допустимая мощность рас 4сеяния в фольге, Следует отметить, чтоиз трех механизмов теппопередачи наи -большее значение в данном случае имеетконвекция, а теплопроводность вдопь фольги (отвод тепла в держатели) и иэпучение с ее поверхности играют второстепенную роць. Поэтому при О, 5 и недостаточной конвекции, в частности, при помещении фольги в вакуум, может произойтиразрушение резонансного погпотитепя затвора.Оель изобретения - достижение компактности затвора, улучшение его эксплу 4атационных характеристик и упрощение конструкции.,Дпя досгижения поставленной цели гамма-резонансный затвор, содержащий резонансный поглотитель и цепь синхронизации затвора с трактом регистрации выполнен в виде пьезоэлектрического эпемента со сквозным отверстием, закрытым поглотителем, причем на поверхности пьезоэлектрического элемента нанесены возбуждающие электроды, соединенные с генелатором переменного напряжения, который через цепи синхронизации связан также с трактом регистрации.На фиг. 1 показан схематический разрез гамма-резонансного затвора, гаммаизпучение направлено вдоль оси 0-0на фиг. 2 - вид на затвор со стороны источника гамма-излучения, штрих-пунктирной пинией очерчен поглотитель квад/ ратной формы.Гамма-резонансный затвор содержит пьезоэлектрический элемент 1 с нанесен ными на его торцы (стенки, стороны) воэбуждающими электродами 2 и И и сквозными отверстиями 4, Это отверстие закрыто резонансным поглотитепем 5, имеющим надежный акустический контакт с электродом 2 пьезоэлемента 1 с помощью, например, акустической 5 связки 6, Эпектроды 2 и И с помощью электрических контактов 7 соединены с генератором 8 переменного напряжения, который дпя получения жесткой синхронизации всех эпектрических цепей, связанных с затвором, соединен также с трактом регистрации (на чертеже не показан). Пьезоэпемент 1 установлен на малогабаритном держатепе (на чертеже не показан) таким образом, чтобы задняя стенка пье" зоэлемента с электродом 3 была закреплена неподвижно, вплотную примыкая к плоскости 9 заземленной пластины держателя. При этом они могут быть прижаты не по всей поверхности, а с сохра/нением воздушной подушки 10 между ными, На чертеже пьезоэлемент, показанв виде пластины, но в зависимости отконкретных условий работы он можетбыть выпопнен любой формы: в виде диска, трубки и т.д. Затвор работает спедующим образом,При подаче возбуждающего напряженияна эпектроды 2 и И пьезоэпемента 1,его незакрепленная стенка с эпектродом2 совершает поршнеобразные, возвратнопоступательные колебания по закону, оп.редепяемому формой . возбуждающего напряжения. Резонансный поглотитепь 5, имеющий надежный акустический контакт с этим электродом и, соответственно, со стенкой пьезоэлемента 1, на которую тот нанесен (напылением, вжиганием и т.п.), колеблется с той же скоростью, что и электрод 2. Если эта скорость отлична от резонансной, то испускаемые источником гамма-кванты проходят через затвор вдоль оси 0-0 (фиг. 1 ) к исследуемому образцу практически без поглощения, В сцучае же, когда относительная скорость источник-поглотитель (затвор) является резонансной, то выбранная линия, спектра будет поглощена резонансным по-глотителем затвора. Выбор запираемой с помощью затвора линии в многопинейном мессбауэровском спектре определяется формой,и амплитудой возбуждающего напряжения.Поскольку линии спектра не являютсямногоэнергетическими и имеют поренцовский характер распределения (естественную ширину) и, соответственно, некоторую дисперсию мессбауэровских скоростей (источник-поглотитель), то для полного запирания реальной линии спектра прц работе с одноканальными анализаторами в режиме постоянной скорости необходимо подбирать соответствуюшую форму возбуждающего напряжения (О и ) путем например, суперпозиции (напожения) напряжений различной формы, Аналогичную задачу в прототипе при баллистическом возбуждении движения фольги токовыми импульсами решить подобным, сравнительно простым способом затруднительно.Для запирания затвором отдельных участков спектра (шлнии) можно плавно или ступенчато менять амплитуду возбуждающего напряжения О н в пределах, обеспечивающих прохождение затвором заданного участка спектра ипи одиночной линии (ее лоренцовой дисперсии), Форма напряжения возбуждения подбирается такой, чтобы в течение полуперцода этого напряжения (+, ъ(10 -10 )с) относительная скорость поглотцтепя (затвора) была постоянной (б м-" мои Для пьезоэлемента, выполненного цз пье-, зокерамики, это напряжение ( О, ) имеет треугольную форму.Можно также применить амплитудную модуляцию напряжения О в частности по линейному закону, ограничивая ее глубину и, соответственно, величину измерения относительной скорости поглотители пределами одной или нескольких соседних линий. Период модулируюших колебанийТ,. может во много раз превышать период Т копебанцй возбуждающего напряжения при жесткой синхронизации меж ду этими копебаниями ц трактом регистрации. Простейшим способом осуществления подобной линейной модуляции является использование автоматической системы на базе шагового искателя с регуф лируемыми веди инами шага (Оэ) ивремени экспозиции (й к ) в каждойточке измерений, а также меняющимисяначальной и конечной точками отсчета,т.е. пределами изменения амплитуды 0,15ц, соответственно, относительных скоросотеи бис Прц необходимости можновыйти цз режима автоматического сканирования вдоль спектра ц производить набор статистики в какой-пибо выбраннойИ,фиксированной точке, Такая система измерений позволяет рассмотреть действие затвора на реальную ш",нию спектра поее отдельным энергетическим участкам,Ипричем, в частном случае велцчцца шага АО может быть взята рав.юй шцрц 6,н.не реальной линии - при усповцц ппавнойрегулировки величины возбуждающего напряжения в ппедепах энергетической попушцрцны нцнцц (т.е, ширин 1 т:.ц ца30половине ее высоты). Такая р.:гупцровкапозволяет плавно настроиться на пцк резонансного поглощения (Г ) выбраннойлинии спектра,Для этпх же целей в качестве возбуж даюшего напряжеця могут быть использованы копебанцч простейшей, сццусоцдалыюй формы ( Ца, , ) Прц этомтракт регистрации открывается лишь навремя действия стробцруюшего (а в ив40 шем случае отпцраа 1 его) цмпуньса"с и=о=(10 -10)с, Временная задержка этого импульса выбирается постоянной ц равной Т= -." Й. т.е. рабо шйучасток приходцтся на середину соот 4 ветствуюшего полуперцода, также прижесткой синхронизации стробируюшего импульса, напряжения О;и ц тракта регцстраццц, Период возбуждающего напряженпя Т в этом с дунае выбирается о такцм, чтобы непцнейость скоростц двц.женця резонансного поглотцтеця оставалась в допустимых пределах (бцсп-погл- Сй 5 ф),т.е. практически определяется соотношением-,01- "- ,Относии,и "оотг-тельно умень 1 цения дони с,в этом вырах(енци, например, прц уменьшении частотыи напряжения 0) хотя иснижается относительная нелинейность рабочего участка скорбстц поглотцтеля, но7 772 приводит при этом к собственному эффекту временной коллимации. Это вызвано тем, что источник гамма-излучения прак тически используется лишь в течение времени, равногоси от общего времениТ ци.экпозиции, а это адресует применения сильного источника излучения или удлиняет время эксперимента, При использовании синусоидального О ( ) прохождение лоренцовского распределителя линии или нескольких соседних линий многолинейного спектра может осуществляться ступеньками или плавно, т.е. аналогично описанному выше случаю использования колебаний специальной, например, треугольной формы.Применение синусоидального напряжения представляет интерес еще и тем, что работая на частоте электромеханического резонанса пьезоэлемента, можно существенно (на величину добротности системы 2 ) снизить величину возбуждающего напряжения О,1(Можно применять здесь также метод двойных и тройных совпадений (в частности, при исследованиях с мессбауэровскими ядрами железа Ге ), используя пере 57менную (изменяемую) задержку во времени регистрируемых и вспомогательных сигналов и выбирая величину периодов возбуждающих напряжений синусоидальной и других. форм большую, в сравнении с временем срабатывания (закрывания) затвора, т.еГ Т . ) Зрт, Используя также соответствующую схему распада, например Со, и соответствующие цепи задержки по типу задержанных совпадений, а также блок формирования стробируюших (отпирающих) сигналов, запускаемый импульсом с выхода детектора излучений (совпадающим с началом акта распада), можно получить прямую корреляцию между отдельным актом распада и началом срабатывания затвора, с Т -(10 -10 ) с,Дпя получения прочных, стабильных и долговечных акустической и механической связей резонансного поглотителя с пьезоэлементом (его электродом) сквозное отверстие в нем для прохождения гамма- лучей заполняется временным наполнителем-подложкой. На нее, как и на прилегающий к отверстию участок пьезоэлемента (или на нанесенный ранее возбуждающий электрод в частности использования продольного пьезоэффекта), наносится напылением или иным способом слой резонансного поглотителя необходимой толщины.После этого временная подложка удаляется с помощью соответствующего раствори 3838 теля, химически нейтрального к матери алу резонансного поглотителя и другихэлементов затвора, Временная подложканаполнитель выбирается в зависимости от р типа резонансного поглотителя, диапазона его рабочих температур, требуемойпрочности образуемой пленки, отсутствияхимического взаимодействия с наносимойна подложку пленкой поглотителя и дру гих факторов и может быть выполнена изцелого ряда веществ, Это позволяет получить более надежный акустическии контакт и существенно большое число цикловохлаждение-нагревание (при использова нии гамма-резонансного затвора в кристалле), чем в случае применения междупоглотителем и пьезоэлементом акустической связки: глипталевого клея, силико-.нового масла и т,п.26 Для увеличения механической прочности полученные пленки резонансного поглотителя после нанесения их на пьезоэлемент могут быть подвергнуты соответствующей термообработке в зависимости от 2 З типов поглотителя, временной подложкии материала пьезоэлемента. В случае,если материал пьезоэлемента не являетсяпьезоэлектриком в неполяриаованной фазе (пьезокерамика), а максимальные тем- ЗО пературы при такой термообработке превышают точку Кюри, то пьезоэлементвновь поляризуется по принятой для данной сегнетоэлектрического материала методике (с последующим искусственнымстарением пьезоэлектрических параметров) .В качестве источника возбуждающегонапряжения используется генератор переменного напряжения соответствующей 40 формы, Он должен иметь низкий выходной импеданс, позволяющий работать наемкостную нагрузку в области высокихчастот. При необходимости можно использовать генератор с обычным сравнитель-.но высокоомным выходом, применяя длясогласования с нагрузкой соответствующий повторитель, например эмиттерныйповторитель на составных полупроводниковых триодах, или иное согласующее усту) ройство.Для одновременного запирания нескольких линий многолинейного спектра илинескольких отдельных энергетическихучастков одной линии можно использоватьнесколько последовательно расположенных затворов, пьезоэлементы которыхвозбуждаются различными по амплитуденапряжениями одной и той же частоты. При этом используется общий генератор,10 ти при проведении фундаментальных и прикладных исследований, используемых гамма-резонансную спектроскопию. формула изобретения Гамма-резонансный затвор, содержащий резонансный поглотитепь и цепь син 10 хронизации затвора с трактом регистРации, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что,с целью упрощения конструкции и упучшения его эксплуатационных характеристик,он выполнен в виде пьезоэлектрического15элемента со сквозным отверстием, закрытым поглотителем, причем на поверхности пьезоэлектрического элемента нанесены возбуждающие электроды, соединенныес генератором переменного напряжения,который через цепи синхронизации связанс трактсм регистрации,Источники информации,2%принятые во внимание при экспертизе 1, Применение физической акустики вквантовой физике и физике твердого тепа.Под ред. У, Мезона. т, 4, часть А, Мир",30с, 107-111, 133,2, "ПТЭф, Ио 4, 1978, с. 82 (прототип). 9 772383 аттюатор (делитель) со ступенчатой и плавной регулировкой напряжения и несколько по числу используемых гамма- резонансных затворов, повторителей или других согласующих устройств, 3Дпя уменьшения коллимации изпучения гамма-источника пьезоэпементном затворе, имеющим относительно малое сквозное отверстие, в пьезоэлементе может быть выполнено несколько небольших отверстий любой формы и расположения; вдоль линии в пределах круга, в виде узких прямоугольных щелей, отрезков кольцевых щелей и т.п., закрытых резонансным поглотитепем. При этом следует учитывать расстояние от затвора до исследуемого образца и телесный угол, под которым образец облучается источником. Это позволит увеличить попезный эффект и уменьшить фон, поскольку снизится возможность гамма-квантов и детектор излучения, минуя образецОпределенным удобством является и возможность быстрой замены как всего затвора с держателем, так и его пьезоэлемента; при необходимости можно изменить тип резонансного поглотителя, форму и коппимирующий эффект сквозных отверстий в пьезоэлементе затвора и т,п.Предпагаемое изобретение позволяет расширить экспериментапьные возможнос772383 Составитель Б Техред М.Надь ан едактор Е, Яков ректор В. Бутя 2 Тираж 735 ВНИИПИ Государств по делам иэобре 3035, Москва, Жоное аз 10 енного комитета СССРтений и открытий5, Раушская наб-д. филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная