Устройство для определения углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии

 

1. yCTPOPlCTBO ДПЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПРИ МНОГОКРАТНОМ РАССЕЯНИИ их материалами, состоящее из камеры рассеяния с детектором заряженных частиц и коллиматором, отличающееся тем, что, с целью одновременного измерения углового распределения , упрощения процесса измерения, .цр.вышения точности, экспрессности, камера заполнена легким газом, a коллиматор направлен под фиксированным углом на часть газового объема , расположенную за образцом. 2. Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что в качест ве легкого газа использован водород.

. 1М11

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН...SU, 1063201

6Ю4 G 01 Т 1/29

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3346231/18-25 (22) 08. 10.81 (46) 23.12.85. Бюл. h 47 (71 ) Институт ядерной физики

АН УЗССР (7 ) Б.Г. Скородумов, З.П. Киселева, И,И. Тринкин и В.Н. Кадушкин (53) 539.1.078(088.8) (56) Бедняков А.А., Дворецкий В.Н., Савенко И.А., Тулинов А.Ф. Многократное рассеяние протонов с энергией

75-?00 КэВ в твердых веществах. и

"Вестник Московского Университета физ. астроном. 1 965, с. 55-63, N - 1.

Hooton, Freeman, Капе Small angle

multiple Scattering of 12-40 МеУ

Ьеачу ions from thinfoils "Nucl.

Jnstr. and Methods". 124, N- 1, 29-39 (1975 г).Puigh R.Х., Кешрег К.W. Мооге 6.Е., Ее11ех А.F. Multiple scattering of heavy ions through дЕ Si

Surface barrier detectors "Nucl.

Jnstr and Methods 131-291-298 (1975 r) (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ ПРИ МНОГОКРАТНОМ РАССЕЯНИИ их материалами, состоящее из камеры рассеяния с детектором заряженных частиц и коллиматором, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью одновременного измерения углового распределения, упрощения процесса измерения, ;цовйшения точности, экспрессности, камера заполнена легким газом, а коллиматор направлен под фиксированным углом на часть газового объема, расположенную за образцом. 2, Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что в качест ве легкого газа использован водород.

1063201

5 !

О

45

Изобретение относится к устройствам для изучения многократного рассеяния частиц, преимущественно ускоренных на циклотронах или других ускорителях при прохождении ими поглотителей различных толщин из различных материалов. Данные по многократному рассеянию заряженных частиц материалами необходимыми при послойном анализе содержания вещества ядерно-физическими методами, при конструировании ядерно-физических установок, а также в целях развития теории ядерных столкновений.

Известно устройство для изучения многократного рассеяния протонов, в котором измеряется угловое распределение рассеянных частиц после прохождения образца, -расположенного в вакуумной камере, рассеянные частицы регистрируются с,помощью ядерных фотоэмульсий. Метод фотоэмульсий не является экспрессным, плохо поддается автоматизации. Поэтому в настоящее время почти во всех экспериментах используются полупро» водниковые детекторы. В работе для исследования многократного рассеяния тяжелых ионов использовался позиционно-чувствительный кремниевый детектор, однако вследствие того, что он не перемещался, данные охватывают о "раничеиный диапазон углов, т.е. не дают полноты измеряемой функции многократного рассеяния.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии их материалами, состоящее из камеры рассеяния с детектором заряженных частиц и коллиматором.

Угловое распределение многократного рассеяния измеряют регистрацией числа частиц, рассеянных исследуемым образцом под различными угла-, ми к первоначальному направлению пучка, с помощью позиционно-чувствительного детектора с многощелевой диафрагмой.. Для получения полной картины распределения детектор перемещают с шагом 5 мм.

Однако существенными недостатками этого устройства являются:

1 ° Устройство не позволяет получить все угловое распределение одновременно с помощью одной установки детектора, которое к тому же являет. ся не непрерывной, а дискретной функцией угла.

2. Использование сложного и дорогого позиционно-чувствительного детектора вместо обычного поверхностно-барьерного или литий-дрейфового, что требует, кроме того, точно калиброванных щелей, что является основным источником погрешностей измерений. Все вти недостатки объясняются тем, что, измеряют непосредственно число частиц, рассеянных исследуемым образом в каждом данном направлении.

Целью изобретения является .одновременное измерение углового распределения, упрощение процесса измерения, повышение точности, экспрессности путем регистрации энергетического спектра упруго рассеянных частиц и

его последующего пересчета в угловое распределение.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии их материалами, состоящем из камеры с детектором заряженных частиц и коллиматором, камера заполнена легким газом, а коллиматор направлен под фиксированным углом на часть газо. вого объема, расположенную за образцом, а в качестве легкого газа использован водород. При этом объем газа, "видимый" детектором, служит вторичным рассеивателем.

Это позволяет вместо непосредственного измерения числа частиц, .вылетевших в различных направлениях из образца вследствие многократного рассеивания, измерять под фиксированным углом энергетический спектр их вторичного рассеяния на газовой мишени, который затем пересчитывают в искомое угловое распределение.

На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2— энергетические спектры упругого рассеяния протонов на водороде в отсутствии образца; на фиг. 3 — то же, в присутствии образца; на фиг. 4— энергетические спектры упругого рассеяния дейтонов на водороде в отсутствии образца; на фиг. 5 — то же, в присутствии образца.

Устройство для определения углового распределения заряженных частиц при многократном рассеянии сос1063201 тоит из камеры 1 рассеяния, вход . которой отделен от вакуумной системы ускорителя железной фольгой 2 толщиной 20 мкм для ввода пучка час-. тиц, устройства для смены образцов, состоящего из пары сельсинов: на оси одного 3, расположенного в камере, укреплен диск 4 с образцами 5, на оси другого, расположенного в измерительном помещении — ручка, враще- 10 нием которой осуществляется .ввод.и вывод образцов, коллиматора 6 рассеянных частиц и детектора 7. Образец находится в центре камеры рассеяния, а ось коллиматора, расположен- 15 ного перед детектором, направлена под углом 8 в точку пересечения воображаемой плоскости 8 в части газового объема, находящегося за образцом, с линией падающего пучка 9. 20

Коллиматор изготовлен из дюралюминиевой трубки длиной 120 мм и диаметром 10 мм, на торцах которой приклеены щелевые диафрагмы из полированного никеля шириной 1 мм и высо- 25 той 5 мм, обеспечивающие собствен|ную угловую апертуру телескопа в о горизонтальной плоскости менее 0,5

В качестве детектора заряженных частиц используется телескоп из двух кремниевых детекторов: пролетного, в котором частица с энергией E теряет часть ее hE, и полного поглощения, в котором частица останавливается. Телескоп в сочетании с соот35 ветствующей электронной аппаратурой служит спектрометром частиц, а также идентификатором их типа по известному методу аE — Е

Работа устройства иллюстрируется

1его схемой, приведенной на фиг. 1 в случае изучения многократного рассея. ния протонов, ускоренных циклотроном причем

45 М(1) 14,(9) б(9о1 j (9))g=g ИЕ) Д(9о1 й(9) и (6о) d(9) g (9) "(Ео)6(9) (3) где 4 (9) — производная функция энер50 гии частицы по углу ее вылета (функция Е = 4 (8) известна из кинематики), определяемая выражением (4) 55 до энергии 18 МэВ, при прохождении ими алюминиевой фольги толщиной

156 мг/см . Пучок 9. ускоренных протонов, сформированный в шнур диаметром 1,5 мм, вводится в камеру рассеяния, заполненную водородом до давления 0 5 ата, проходит через обРазец 5, представляющий из себя пластинку из исследуемого материала, в которой пучок теряет часть своей энергии и приобретает угловую расходимость вследствие многократного рассеяния. Поскольку плоскость .8 отстоит от плоскости,в которой находится образец 5 на расстоянии, не позволяющем телескопу "видеть " образец через коллиматор 6, то предотвращается возможность регистрации актов рассеяния пучка на образце и телескоп измеряет энергию тех частиц, которые прошли через исследуемый образец, т.е. претерпели многократное рассеяние, а затем, рассеявшись на газе, попали в детектор. Телескоп определяет не только энергию, но и тип частицы, поэтому из всех возможных реакций выделяют упругое рассеяние на вторичной мишени. Коллиматор имеет малую угловую апертуру, поэтому угол рассеяния частиц, достигающих телескопа, будет определяться угловой расходимостью пучка вследствие многократного рассеяния. На схеме это показано двумя возможными отклонениями частиц после прохождения образца, которым соответствует разные углы рассеяния 9, и 6 . Поскольку энергия рассеяннои частицы зависит от угла рассеяния и тем сильнее, чем легче рассеивающее ядро, то энергетический спектр упругого рассеяния Р(Е) несет информацию об угловом распределении многократно рассеянных частиц Й(V), которое остается извлечь из измеренного спектра с помощью простых кинематических соотношений. Действительно, распределение частиц по энергиям связано с распределением частиц по углам соотношением тогда искомое относительное угловое распределение многократного рассеяния где iJ(g) — число частиц, рассеянных под углом

201 (5) E=E сов В-йЕ, S 1063

N,(e) — число - частиц, рассеян.ных в детектор под углом 9

С - коэффициент пропорциональности, зависящий от тока пучка, числа ядер газа в объеме реакции и телесного угла детектора;

d(e) — дифференциальное сечение упругого рассеяния части- 1О цы с массой ш на ядре га(.за с массой m под углом 9 и — энергии частиц, рассеянных соответственно под углами Ц и 8 о

Е (Е,) — значение в максимуме энергетического спектра, соответствующее

4=6 — 9 =О. 20

Величина дифференциального сечения d (0), как правило, известна и, если даже точность ее абсолютного значения недостаточна, относительное изменение сечения в пределах, определяемых конусом многократного рассеяния, меняется мало и практически не влияет на точность измерений. Выбор величины угла 8, а также газового рассеивателя в соответ- 30 ствии с выражением (4), которое определяет чувствительность метода, зависит от массы и энергии частиц, многократное рассеяние которых изучается; от этого же зависит и выбор толщин детекторов телескопа. В о данном случае Оо = 30, детекторы телескопа имеют толщины 70 и

1500 мкм. На водороде возможно только упругое Рассеяние, причем энергия 40 рассеянных протонов где, Š— энергия. пучка протрнов после прохождения образца;

8 = 8pt4 — угол рассеяния протонов на водороде;

ЬЕ6(Е16- небольшая поправка на тор. можение частиц в rase;

5(E) торможная способность для 0 протонов с энергией Е в водороде; — расстояние от места реакции до телескопа (200 мм).

На фиг. 2 приведены энергетические спектры упругого рассеяния протонов на водороде без образца, на фиг. 3 — с образцом. По оси ординат отложено число отсчетов в канале многоканального амплитудного анализатора, по оси абсцисе — энергия рассеянной частицы, вертикальный размер экспериментальных точек определяет статистическую погрешность измерений. Кроме того, под осью абсцисс отложен угол многократного рассеяния 1 в градусах, полученный из (5) по соотношению

Е-ДЕ =8О-а(ссов (6)

Еп

Спектр, полученный с образцом, по энергии сдвинут влево вследствие энергетических потерь в образце и уширен из-за многократного рассеяния. Его форма описывается выражением

Ф(ц AfF(E (åхp(- ДЕ (7) где А — нормирующий множитель;

F(E )- искомая функция, которая будучи извлечена из этого выражения (операция известна) и подставлена в (3) даст угловое распределение многократного рассеяния.

Экспоненциальный член- аппаратурная функция спектрометра, аппроксимированная функцией Гаусса с параметром S определяемым по полуширине аппаратурного пика (фиг. 2а)

4 = 2,36 S.

Для сравнения эксперимента с теорией определение F(E ) из (7) можно исключить. Достаточно теоретическое распределение N(4)j(1О преобразовать в энергетический спектр

F(F)/ F(Eä). с помощью (3), а затем произвести свертку (7) и сравнить полученное распределение с экспериментальным. Сплошная линия в спектре на фиг. 3 является результатом расчета функции многократного рассеяния и последующего пересчета его в энергетическое распределение по формулам (3) и (7). Видно, что теория удовлетворительно описывает экспериментальные данные. Правый пик на фиг. 3 (увеличен в 10 раз) получен при добавлении малой примеси азота в водород. Поскольку это результат упругого рассеяния на сравнительно тяжелом ядре, то его ширина практически не зависит от угловой расходимости пучка, а определяется страгглингом энергетических потерь в об1063201

Аналогичный результат бып получен в случае -изучения многократного рассеяния дейтонов с энергией

14,4 ИэВ при прохождении ими алюминиевой фольги толщиной 78 мг/см при 6 =.18o Энергетические спектры . упругого рассеяния дейтонов на водороде, полученные без образца и с образцом, приведены на фиг. 3, 4. Сплош-20

3 ная кривая на фиг. 3 является резуль.татом теоретических расчетов и последующего преобразования по соотношениям (3) и (?) °

7 разце и возможной неравномерностью толщины фольги, а также собственным разрешением спектрометра. Сравнение с пиком на фиг. 2 свидетельствует о том, что определяющим является собственное разрешение спектрометра.

Поэтому в выражении (7) использовалась величина о, полученная лишь из ширины аппаратурного пика (см. фиг. 2).

Таким образом, заявленное устройство имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом, который является базовым объектом:

5 1. Угловое распределение определяется одним измерением путем регистрации энергетического спектра под фиксированным углом, что упрощает получение результата и повышает экспрессность измерений. Улучшается также точность измерений, поскольку в прототипе погрешность определяется неточностью измерения щелей, а в данном устройстве всего один коллиматор, размеры которого вообще не входят в расчет.

2. Для измерений используются более простые и дешевые детекторы, так как не требуется их позиционная чувствительность.

3. Измеряемое угловое распределение является непрерывной, (а не дискретной) функцией угла,чтодает более полную информацию обуглоовм распределении.

1063201

12

Q 19 75

$HdpPLl_#_ Ф / 7ЛУ

1063201

Х0

8 tt lg

Энергия Р с®

Техред М.Пароцай

Корректор И. Эрдейи

Редактор П. Горькова

Закаэ 8136/3 Тирад 747

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 200 100 с

2 0 Г 4 б

Вол Ю град

ФАР .