Способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения энергии ядер-ных частиц по времени пролета,в котором фиксируют исходное положение стопового детектора временным анализатором, перемещают столовый детектор, измеряют расстояние перемещения, фиксируют новое положение стопового детектора , о .т л и ч а ю щ и и с я teM, что, с-целью. повьшения точности . измерения, сначала одновременно фиксируют временным анализатором исходное положение стопового детектора ядерных частиц и исходное положение . зеркала, задающего пролетную базу импульса лазерного излучения, затем в столовый канал вводят задержку и / .измеряют расстояние пролета импульса лазерного излучения за время задержки стопового сигнала путем перемещения зеркала, задающего пролетную;базу импульса лазерного излучения, и фиксирований двух его новых положений временным анализатором, а затем измеряют расстеяние пролета ядерных частиц за то же время задержки путем двух дополнительных перемещений стопового детектора. 2. Устройство для измерения анергии ядерных частиц по времени пролета , содержащее стартовьв детектор, стоповьй детектор и временной анализатор , о тлич ающе е с я тем, что, с целью повьшения точности измерения , в него введены импульсный лазер, оптический интерферометр, два плоско-параллельных зеркала, одно из которых неподвижное, а другоеподвижное , два смесителя логических импульсов, детектор импульсов лазерного излучения, линия задержки и (Л трехуклеммовый переключатель, причем импульсный лазер оптически связан с подвижным зеркалом:, которое механически соединено со стоповым-детектором ядерных частиц, при этом стартовый детектор и импульсньй лазер через первьй.смеситель логических им|4 иульсов соединены со стартовьм входом 1 временного анализатораj а детектор лазаркрго излучения и стоповьй детек- 4 тор через второй сме.сит.ель логических ОО импульсов соединены с входом линии задержки через первую клемму трехклем мового переключателя и со стоповым входом временного айализатора через вторую клемму трехклеммового переключателя , выход пинии задержки через третью клешу трехклеммового переключателя соединен со стоповым входом временного анализатора, при этом подвижное зеркапо находится на оптической оси интерферометра.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(5!) С 01 Т 1/36

ГОСУДАРСТВЕННЦЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1 ) 3340366/1 8-25: (22) 23. 09. 81 (46) 23.04. 85. Бюл. № 15 (72) Е. А. Фролов, М. Ф. Юдин, А. А. Константинов и И. 0. Пальшау (53) 535.232.61(088.8) (56) 1 ° Потапов А. В,, Чернявский А .Ф.

Статистические методы измерений в зкс" периментальной ядерной физике" ..М., Атомиздат, 1980, с. 24-28.

2, J. Keckemeti, Т. Czihok and

В. Ее1йп Сз. Inveztigation of the .

Reaction H(n,nð) at 8z О о//

Nucl. Phyz. А254 1975, в. 110-130. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЯДЕРНЫХ ЧАСТ1Щ ПО BPEHEHH ПРОЛЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета,в котором фиксируют исходное положение стопового детектора временным анализатором, перемещают стоповый детектор, измеряют расстояние перемещения, фиксируют новое положение стапового детектора, о .т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, сначала одновременно фиксируют временным анализатором исходное положение стопового детектора ядерных частиц и исходное положение зеркала, задающего .пролетную базу импульса лазерного излучения, затем в стоповый канал вводят задержку и ,измеряют расстояние пролета импульса лазерйого излучения за время задержки стопового сигнала путем перемещения зеркала, задающего пролетную базу импульса лазерного излучения, и фиксирования двух его новых положений временным анализатором, а заÄÄSUÄÄ 1D44178 А тем измеряют расствяние пролета ядерных частиц эа то же время задержки путем двух дополнительных перемещений стоповаго детектора.

2. Устройство для измерения энергии ядерных частиц по времени проле-. та, содержащее стартовый детектор, стоповый детектор и временной анализатор, отличающее с я тем, что, с. целью повышения точности измерения, в наго введены импульсный лазер, оптический интерферометр, два плоско-параллельных зеркала, одно из которых неподвижное, а другоеподвижное, два смесителя логических импульсов, детектор импульсов лазерного излучения, линия задержки и трехклеммовый переключатель, причем импульсный лазер оптически связан с подвюкным зеркалом, которое механически соединено со стоповым .детектором ядерных частиц, при этом стартовый детектор и импульсный лазер че- а рез первый.смеситель логических импульсов соединены со стартовым входом временного анализатора, а детектор лаз рного излучения и стоповый детектор через второй смеситель логических 4 3 импульсов соединены с входом линии QO задержки через первую клемму трехклеммового переключателя и со стоповым входом временного анализатора через вторую клемму трехклеммового переключателя, выход линии задержки че- В рез третью клемму трехклеммового переключателя соединен со стоповым вхо" дом временного анализатора, при этом, подвижное зеркало находится иа опти- ческой ocR интерферометра.

1044178

Изобретение относится к технике ядерно-физического эксперимента, а более конкретно к энергетической . спектрометрии ядерных частиц по времени пролета. 5

Известен способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, который заключается в измерении расстояния — пролетной базы между стартовым и стоповым детекторами, калиб- 10 ровке шкалы временного анализатора по реперной энергии 1,моноэнергетическим частицам с хорошо известной энергией Е} при помощи изменения пролетной базы на измеряемую величину и вы в 15 числение искомой энергии по реперной 11) .

Устройство для измерения энергии яде рных частиц данным спо со бом содержит стартовый детектор нейтронов, 20 стоповый детектор -фотонов, два формирователя — ограничителя импульсов и временной анализатор, состоящий из преобразователя времени в амплитуду (ПВА) и многоканального 2s анализатора импульсов (ИАА). Остальная часть устройства предназначена для режекции отрицательных временных интервалов и для дискриминации импульсов по форме (1) .

ЗО

Недостатками этого технического решения являются низкая точность измерения энергии из-за погрешностей, связанных с измерением пролетной базы, дифференциальной нелинейности временного анализатора, а также с невысокой точностью знания реперной энергии.

Известен способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, 4р который по совокупности существенных признаков наиболее близок к изобретению и принят за прототип, в которои фиксируют исходное. положение стопового детектора временным анализатором, перемещают стоповый детектор, измеряют. расстояние перемещения, фиксируют новое положение стопового де.тектора j2j .

Известно устройство для. измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, которое по совокупности существенных признаков наиболее близко.к заявляемому и принято за прототип. Устройство содержит старToBbfH и стоповый детекторы и временной анализатор, состоящий из ПВА и NAA 32).

Недостатками известного технического решения являются невысокая точность измерения энергии ядерных частиц из-за невозможности точно измерить пролетную базу, сравнитепьно больших погрешностей, связанных с дифференциальной нелинейностью временного анализатора и низкой точностью знания реперной энергии Е, относительно которой проводятся измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерения энергии ядерных частиц по времени пролета.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, в котором фиксируют исходное положение стопового детектора временным анализатором, перемещают стоповый детектор, измеряют расстояние перемещения, фиксируют новое положение стопового детектора, сначапа одновременно фиксируют временным анализатором исходное положение стопового детектора и исходное положение зеркала, задающего пролетную базу импульса лазерного излучения, затем в стоповый канал вводят задержку и измеряют расстояние пролета импульса лазерного излучения во время задержки стопового сигнала путем перемещения зеркала, задающего пролетную базу импульса лазерного излучения, и фиксирования двух его новых положений временным анализатором, а затем измеряют расстояние пролета ядерных частиц за измеренное время задержки путем двух дополнительных перемещений стопового детектора.

Поставленная цель достигается так.же тем, что в извес-ное устройство для измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, содержащее стартовый детектор, стоповый детектор, временной анализатор, введены импульсный лазер, оптический интерферометр, два плоско-параллельных зеркала, одно из которых неподвижное,. а другое — подвижное, два смесителя логических импульсов, детектор импульсов лазерного излучения, линия задержки и трехклеммовый переключатель, причем импульсный лазер оптически связан с подвижным зеркалом, которое механически соединено со стоповым детектбром ядерных частиц, n„C

E„= — -ï„C г

-Г- 6 з 1044178 4 при этом стартовый детектор и импульс- и оптического интерферометра 7 сто6 ныи лазер через первый смеситель ло- повый детектор 8 ядерных частиц и гических импульсов соединены со стар детектор 9 импульсов лазерного излутовым входом временного анализатора ° . чения, выходы которых подключены к а детектор лазерного излучения и сто- 5 второму. смесителю 10 логических имповый детектор через второй смеситель пульсов, а его выход соединен со логических импульсов соединены с вхо- вхопом линии задержки 11 ч через пердом линии задержки через первую клем- вую клемму трехклеммавого переклю-. му трехклеммового переключателя и со чателя 12 и со стоповым вхо и со стоповым входом врестоповым входом временного анализато- 1О менного анализатора — чере анализатора — через вторую ра через вторую. клемму трехклеммового клемму трехклеммового переключателя

В переключателя-, выход линии задержки - 12, выход линии задержки через тре через третью клемму трехклечмового тью клемму .трехклеммового переключапереключателя соединен со стоповым теля 12,соединен со стоповым вхо1 входом временного анализатора, при 15 дом временного анализатора 4. этом подвижное зеркало находится на Устройство содержит также источоптической оси интерферометра. ник ядерных частиц 13, импульсный

На чертеже приведена схема аписы- лазер 2 устанавливается таким обраваемого устройства для измерения зом, чтобы число отражений импульса энергии ядерных частиц по времени 20 лазерного излучения между плоскопролета. параллельными зеркалами удовлетвоСпособ измерения энергии ядерных ряло соотношению частиц па времени пролета реализуемый С = (n + 1) V с помощью настоящего устройства, 3аключается в измерении расстояний, 25 " и — число отРажений. Ось вРащекоторые пролетают ядерные частицы и ниЯ импульсного лазеРа 2 должна импульс лазерного излучения за одно бb b колинеаРна плоскости плоскои то же время оптическим интерферо- параллельных зеркал 5, 6, перпендиметром, что в результате дает отноше- кулЯРна направлению излУчениЯ и Должние 30 на пересекать ось лазерного луча

Источник ядерных частиц 13 и становый детектор 8, жестко связанный с

> (1) подвижным зеркалом 6, устанавливаются на направляющие для перемещения., частиц; таким образом чтобы ось, проходящая

С вЂ” скорость света, 35 .через центр источника ядерных частиц и, таким о б разом, энергия н е р е л я т и в и -.. ц е н т Р с т а и о в о г о детект о Ра 8 б

6 стских ядерных частиц равна

ыла параллельна направлению переме-. щения детектора 8 и подвижного зеркаg2C z ла 6.

r 4Р (2) . Устройство работает следующим образом, а энергия релятивистских ядерных час- Источник я тиц. точник ядерньи частиц 13 испус. кает исследуемые ядерные части ЦЫ6 которые регистрируются стоповым дер 8, и сопутствующее излуче.4> текто ом 8 .ние (альфа, бета, гамма-излучени ие, Устройство для измерения эне гий осколки деления канве с

Ф р ионные электия энергии . роны, рентгеновское изл ени ) ядерных частиц по времени нро лета которое егист и уч ие и т.п.)

ЯО

Р пульсныи лазер 2, выходы которых поыи детектор и им- текторам 1. Одновременна имп л у ьсный ключены к первому смесителю ло ич рых под-. лазар 2 посылает импульсы изл г ес- на зеркало 6, кющый из ко учения ких импульсОВ 3 а его ыха в од соеди- разившись от него, попадает на з нен со стартовым входом временного лв 5 а зеркаара 4 не м ж ю ога лв 5 и, таким образом сове ша кало сколько отражений, пока не поп

5 и плоско-параллельное ему подвижпадет ное зеркало 6 . на детекто р импульсов лазерного излу- о, установленное на он- . чвния 9 Э тическои оси импульсного лазера 2 и ска я . лектрические имп ульсы запуска лазера 2 и импульсы от старта1044178 ваго детектора 1 через смеситель логических импульсов 3 поступают на стартовый .вход временного анализатора

4. В исходном положении выход смесителя 10 подключен 1»епосредственно к стоповому входу временного анализа" тора 4, через вторую клемму трехклем" мового переключателя 12, т.е. в стоповом канале отсутствует линия задержки 11, Электрические импульсы от де- »О тектара лазерного излучения 9 и стапового детектора 8 через смеситель 10 поступают на стоповый вход временного анализатора 4. Во временном анализаторе 4 записывают пик совпадений им- 15 пульсов запуска импульсного лазера

2 и детектора 9, а также пик совпадений импульсов от стартового детектора

1 и-стопаваго детектора в исходном положении (положение A<} стопового 20 детектора 8 и подвижного зеркала 6.

Далее между выходом смесителя 10 и стоповым входом временного анализатора 4 включают линию задержки 11 и подвижное зеркало 6 вместе со стопа- 25 вым детектором перемещают по направляющим в положение А», выбираемое таким образом, чтобы пик совпадений импульса запуска импульсного лазера

2 с импульсом от детектора 9 находил- 3р ся в шкале временного анализатора 4 справа от пика совпадений импульса запуска лазера 2 с импульсом от детектора 9» записанного в положении А» стоповаго детектора 8 и подв ага 35 зеркала 6. Перемещение подвижнага зеркала 6 и стопового детектора 8 в положение А производят при одновре" менной компенсации смещения места падения импульса лазерного иэлуче- 4О ния на детектор 9, что осуществляют поворотом импульсного лазера 2 вокруг аси вращения. Перемещение измеряют в длинах волн лазерного излучения интерфераметра 7. Пик совпадений им- А5 пульса залуска лазера 2 с импульсам от детектора лазерного излучения 9 для положения А стопового детекто2 ра 8 и подв»вкного зеркала 6. записывают во временном анализаторе 4. Да" у . лее производят перемещение подвижного зеркала 6 и столового детектора 8 в положение А, выбираемое та". . ким образом, чтобы пик совпадений импульса запуска.лазера 2 с импульсом от детектора 9 .находился слева в шкале временного анализатора ат пика совпадений импульса запуска:лаj t»e,- »А,) Р -1 »„1 (ц

2 РА2 риаз . » где 11 — длина волны лазерного излучения, применяемого в ннтерферометре 7p — длина перемещения стопового детектора 8 и подвижного зеркала 6 иэ положения А» в положение А в длинах вали лазерного излучения интерфераметра 7;

- длина перемещения ста.повага детектора 8 и подвижнога зеркала 6 из положения At в положение А в длинах волн лазерного излучения интерферометра 7; — положения характерных

3 тачек пиков совпадений импульсов запуска лазера 2 с импульсами .ат детектора 9 в шкале временного анализатора

4 для положений А

А, А станового детектора 8 и подвижного зеркала 6 соответственно; — число отражений светового импульса лазера 2 от плоско-параллельных зеркал 5, 6. производят перемещение зеркала 6 и стопаваго деположение А4, выбираемое

Нд

Р -РА -Р

А»

После этого подвижного тектора 8 s зера 2 с импульсом ат детектора 9, записанного в положении А» стоповаго детектора 8 и подвижного зеркала 6.

Производят компенсацию смещения места падения импульса лазерного излучения поворотом импульсного лазера, Перемещение измеряют в длинах волн лазерного излучения интерфераметра

7. Пик совпадений импульса запуска лазера 2 с импульсом от детектора

9 для положения А степавого детектора 8 и подвижного зеркала 6 записывают во временном анализаторе 4.

Производят вычисление расстояния, которое пролетает световой импульс за время, равное времени задержки электрического импульса от детектора 9 линией задержки ll па формуле

1044178 таким образом, чтобы пик совпадений импульсов от стартового детектора I u стопового детектора 8 находился в шкале временного анализатора 4 справа от пика совпадений импульсов, от этих 5 же детекторов, записанного в положении А подвижного зеркала 6 и стопового детектора 8. Перемещение подвижного зеркала 6 и стопового детектора

8 измеряют интерферометром 7. Пик совпадений импульсов от стартового детектора 1 и стопового детектора 8 для положения А4 стопового детектора

8 и подвижного зеркала 6 записывают во временном анализаторе 4. Далее производят перемещение стопового детектора 8 и подвижного зеркала 6 в положение А, выбираемое таким образом, чтобы пик совпадений импульсов от стартового детектора 1 2О и стопового детектора 8 находился в шкале временного анализатора 4 сле- ва от пика совпадений импульсов.от этих же детекторов, записанного в по ложении А подвитого зеркала 6 и 25 стопового детектора 8. Перемещение стопового детектора 8 и подвижного зеркала 6 измеряют интерферометром

7. Пик совпадений импульсов от стартового детектора 1 и стопового детек-щ тора 8 для положения А4стопового детектора 8 и подвижного зеркала 6 записывают во временном анализаторе 4.

Производят вычисление расстояния, которое пролетает ядерная частица во время, равное времени задержки

35 электрического импульса от стопового детектора ядерных частиц 8 линией за-. держки 11 по формуле

40 (5) где И;А — длина перемещения стоповоФ го детектора 8 и подвижного зеркала 6 из положения 4>

А < в положение А в длинах волн лазерного излучения интерферометра 7;

NA — длина перемещения стопово%

ro детектьра 8 и подвижно-Ж

ro зеркала 6 иэ положения

А1 в положение А в длинах волн лазерного излучения интерферометра 7;

РА -PA — положения характерных то-. 55 чек пиков совпадений им-. пульсов от стартового. детектора 1 и стопового детектора в шкале временного анализатора 4 для положений .А4А стоповоro детектора 8 и подвижного зеркала 6 соответственно.

Следует отметить, что для минимизации составляющей погрешности измерения L n L „, связанной.с нелинейностью временного анализатора 4, необходимо при выборе положений А А

3t

А4, А стопового детектора 8 и подвижного зеркала 6 добиваться мини- . мально возможного значения разностей

NA г 43 4 4 °

Таким образом, в результате измерены расстояния, которые пролетают световой импульс от лазера 2 и ядерные частицы от источника 12 за одно и то же время, равно времени задержки электрического импульса линией задержки 11. Следовательно, отношение измеренных расстояний дает нам отношение скорости ядерной частицы к скорости света

Р

° — = — =S- (6)

Тс С

В результате энергии ядерных частиц вычисляется по формулам (2) или (3) при подстановке в них значения о г вычисленного с использованием формул ! (4), (5), (6) .

Описанйая выше работа устройства дана для случая, когда число отражении и от плоско-параллельных зеркал

5, 6 удовлетворяет соотношению

С((п+ 1) Чг, что всегда осуществляется на практике выбором величины и. Расчет растояния, которое пролетает импульс

l лазерного излучения за время задерж,ки по формуле (4}, не учитывает поправки на изменение угла падения импульса лазерного излучения на подвижное зеркало 6 при его перемещении в положения А < и А >, Эта поправка может быть уменьшена экспериментально до значений - 1О от измеряемого расстояния приближением геометрии отражения к точечной (уменьшение диаметра и угловой расходимости луча импульсного лазера 2 . и уменьшение угла падения импульса лазерного излучения на подвижное зеркало 6), а также рассчитана для конечной геометрии с относительной погрешностью -10 — 10 . Поправка на конечные размеры источника ядер!

1044178

Ь "е Ь г 4

ЩПЯШИ Заказ 2795/2 . Тираж 748 Поцци вт-.;э . ных частиц и конечные размеры стопового детектора 8 также может быть снижена экспериментальис до значений 10

-6 от расстояния, которое пролетают ядерные частицы за время задержки путем 5 увеличения пролетной базы, уменьшением размеров источника ядерных частиц 12 и размеров детектора 8 и рассчитана для конечной геометрии с относительной погрешностью 10 -10

Способ и устройство позволяют осуществлять абсолютные измерения энергии ядерных частиц по времени пролета с использованием только двух !5 фундаментальных постоянных — массы покоя ядерной частицы и скорости распространения электромагнитного излу" чения в вакууме. Практически при измерении альфа — частиц с энергией gp

5 МэВ для настоящего устройства с временным разрешением 100 пс, пролетной базой 5 м и измерительной базой оптического интерферометра

-1 м при статистике набора в пике .совпадений !О событий реальной является точность относительная погрешность определения энергии 1 10 что на два-три порядка выше точности, даваемой прототипом. С помощью настоящего способа измерения энергий ядерных частиц и устройства для его осуществления возможно решение круга важнейших физико-метрологических задач: абсолютное измерение энерговыделения при альфа-распаде с целью уточнения разностей атомных масс, измерение бета-спектров, в частности бета-спектра трития, с целью определения массы покоя антинейтрино, а также аттестация по энергии радио— нуклидных источников заряженных частиц, применяемых в народном хозяйстве.