Способ регистрации заряженных частиц
Использование: регистрация заряженных частиц, радиометрия газов. Сущность изобретения: в конденсационной камере, заполненной рабочей средой, в которой создают зону образования треков заряженных частиц - чувствительный слой, вдоль стенок камеры создают возрастающий сверху вниз градиент температуры. 9 з.п. ф-лы.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (39) ((E) (з()з G 01 Т 5/04
ГОСУДАРСТВЕН(ОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К ПАТЕНТУ (21) 5005478/25 (22) 03.10.91 (46) 30.07.93. Бюл. Рв 28 (76) В.K. Ляпидевский (56) Вильсон Дж. камера Вильсона, ил, москва, 1954, с. 57-59.
Авторское свидетельство СССР
Ьф 100754, кл. G 01 Т 5/00, 1952.
Предполагаемое изобретение относится к области ядерной физики и техники, а именно, к методам регистрации ядерных излучений и может быть использовано при создании трековых детекторов заряженных частиц для исследований в области ядерной физики, физики элементарных частиц, для контроля радиоактивности окружающей среды, а также для создания приборов, ис,пользуемых в качестве учебных пособий по курсу физики в средней школе и ВУЗах.
Целью предполагаемого изобретения является создание способа регистрации заряженных частиц, устойчивого к изменению давления, природы и молекулярных весов газа и пара, а также температуры дна и крышки путем создания по стенкам камеры возрастающего по направлению сверху вниз градиента температуры. Осуществление способа позволяет создавать камеры для наблюдения треков заряженных частиц при рвц)ении ряда актуальных задач; перечисленных далее.
Укаэанная цель достигается тем, что в камере, заполненной смесью газа и пара, создают поток пара от нагреваемого источника к охлаждаемому дну, согласно изобретению по стенкам сосуда устанавливают (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Использование: регистрация заряженных частиц, радиометрия газов. Сущность изобретения: в конденсационной камере, заполненной рабочей средой, в которой создают зону образования треков заряженных частиц — чувствительный слой, вдоль стенок камеры создают возрастающий сверху вниз градиент температуры. 9 э.п, ф-лы. возрастающий по направлению сверху вниз градиент температуры, устанавливают температуру дна ниже температуры конденсации пара, нагревают крышку выше температуры конденсации пара.
Кроме сформулированного пункта заявляемый способ имеет зависимые пункты, характеризующие способ в частных случаях его выполнения.
Весьма важной задачей в настоящее время является разработка методов опреде- 00 ления концентрации радона в атмосферном (p3 воздухе. Предлагаемый способ позволяет ре- а шить эту задачу. Для этого предлагается до- {")с, полнительно к независимому признаку сгюсоб, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности измерения радиоактивности газов (и в частности радона) температура дна поддерживается выше температуры конденсации исследуемого газа. (ф)
8 атмосферном воздухе и воздухе рабочих помещений радон всегда находится вместе со своими дочерними продуктами.
Раздельная регистрация радона и его продуктов распада является актуальной задачей, так как их действие на организм человека при их вдыхании су цестввнно различны. Предлагаемый способ позволяет решить эту эа1831690 дачу. для этого с целью раздельной регистрации треков частиц, образующихся при распаде дочерных продуктов радона, содержащихся в воздухе, смещают продукты распада в чувствительный слой электрическим полем и уменьшают время нахождения продуктов распада радона в чувствительном слов(за счет увеличения градиента температуры) до величины, меньшей времени жизни R ;
В ряде случаев желательно осуществлять способ наблюдения заряженных частиц в бытовых условиях, когда использование дополнительного охлаждения с помощью специальных реагентов или устройств затруднено. Предлагаемый способ позволяет создать в камере устойчивый чувствительный . слой, в котором наблюдает треки заряженных частиц при установлении температуры днэ (зэ счет охлаждения окружающей средой) выше температуры окружающей среды и поддержании температуры. крышки выше температуры конденсации парэ. При этом следует испольэовать смесь двух взаимно растворяющих жидкостей с различающимися. более чем на
30 ".С .температурами кипения (например, в1эде и глицерин, вода и аликоеь, нитрабензол — бензол}, Весьма актуальной является задача спвктрометрии газообразных радиоактивных продуктов. имеющих электроотрицательныв примеси. Спектрометрия газообразных радиоактивных продуктов может быть осуществлена. с помощью предлагаемого способа.
Для этого следует треки; образовавшиеся в газе, смещать электрическим полем в чувствительный слой и с помощью Ф ЭУ (или ППД) измерять интенсивность .рассеянного треками света. Так как интенсивность рассеянного треками света пропорциональна числу капель, сигнал на выходе ФЭУ. будет про-. порционален энергии заряженной частицы.
Для осу1цествления способа необходимо дополнительно к независимому. признаку по заявляемому способу. с целью спектрометрии радиоактивных газов регистрировать сват, рассеянный каплями ЮЗУ;
C цельЮ упрощения осуществления способа по независимому признаку температуру центральнбй части дна поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна. Это приводит к тому, что упругость насыщенного пара вблизи стен будет больше, чем вблизи центральной части дна.
Теоретически установлено, что температурное распределение в: горизонтально расположенном слое газа и пара, заключен. ном между двумя плоскостями, одна иэ которых (верхняя) имеет более высокую температуру, чем вторая (нижняя) близка к линейному, 5
В реальной камере горизонтальный слой таза и пара. ограничен стенками. Для осуществлению чисто диффузионного переноса пара от нэгревеемое поверхности к охлаждевмой необходимо, чтобы температура.смеси газа и пара в любом горизонтальном сечении была бы постоянна, Отсюда следует, что температурное распределение в диффузионной камере по стенкам камеры и в обьемв должно быть одинаково и в соответствии с теорией — лийейно; Исходя. из этих соображений было спроектировано и создано большое число различных .типов диффузионных камер
Нами экспериментально установлено. что в диффузионной камере с линейным респредвленивм температуры .при конденсации капель возникают местныв конвекционные токи из-зэ выделения тепла при конденсации. Это нарушает Стабильность чувстви тельного слоя. Изменение условий облучения объема камеры приводит к-увеличению-нестабильности чувствительного 5 слоя в результате чего диффузионные камеры применяются обычно только для регист- . рации небольшого числе,частиц, проходящих через обьвм камеры в течение коротких промежутков времени. Такив усло30 «ия осуществляются. при работе диффузионной камеры совместно с ускорителями частиц,. или с другими имг1ульсными. источниками излучений. Для непрерывной регистрации заряженных частиц. например, от
3б радиоактивного источника режим работы диффузионной камеры с линейным или близким к линейному градиенту. температу-. . ры непригоден;
Было экспериментально установлено, 40 что для таго; чтобы увеличить стабильность работы камеры: необходимо создать по вв стенкам увеличивающийся сверху вниз градиент температуры; При этом в «аждае-горизонтальном сечении камеры температура
45 вблйзи стенок будет превышать температуру смеси газа и пара в объеме камвры. Это приведет к тому, что вблизи стен камеры смесь газа. и пара будет двигаться снизу. вверх; а в основйом объеме сверху вниз. -0 Эксперименты 6Окэээли, что тонкий. слой газа. и парэ вблизи стен движется снизу вверх, а. основная массе газа и пара смещается ко дну камеры сверху вниз. В. таком режиме работы вблизи дна.устеЬвливавтся устойчивый чувствительный слой, в котором происходит регистрация. заряженных частиц и образование трекоа благодаря «онденсаций капель не йонэх. Эксперименты показывают,. что при. градиенте твнпврэтуры вблизи диэ:меньше 3ссм стабильность
1Р:11690
10 работы камеры уменьшается (П.10 формула изобретения).
Скорость движения газа в камере регулируется путем изменения величины градиента температуры вблизи дна и путем увеличения разности температур в горизонтальных сечениях камеры между центральной частью камеры и ее стенками. При увеличении скорости движения газа возрастает устойчивость режима работы камеры, увеличивается ионная нагрузка (число частиц, регистрируемых в единицу времени), уменьшается высота чувствительного слоя и уменьшается время нахождения трека в объеме камеры.
Обычно в качестве источника пара используют пористые пластины, которые благодаря капиллярному эффекту поднимают рабочую жидкость со днв камеры в верхние сечения (Авторское свидетельство
100.754 (1952) на имя Ляпидевского В.К.}.
Такой, непрерывно действующий источник пара позволяет поддерживать постоянство рабочей смеси в течение длительного времени, пока поддерживается неизменный тепловой режим камеры, Если камера негерметична, то состав рабочей смеси устанавливается в соответствии с парциальными давлениями паров, находящихся в атмосфере, и при их постоянстве также не изменяется со временем.
Существование движения газа и пара в камере с нелинейным (возрастающим сверху вниз) градиентом температуры позволяет использовать это движение газа и пара для переноса пара в чувствительный слой, используя в качестве источника пара поверхность жидкости, налитой на дно камеры.
Согласно п,9 формулы изобретения, центральную часть дна камеры поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна. При этом находящаяся вблизи стен при более высокой температуре жидкость испаряется, ее пары увлекаются потоком газа. движущегося вдоль стен в верхние сечения камеры и затем, основным цент, ральным потоком, вниз к центральной части дна,. которая имеет более низкую температуру. Вблизи центральной части дна пары охлаждаются и образуют область пересыщенного пара в которой регистрируют треки заряженных частиц.
Экспериментально определено, что выполнение первого независимого пункта формулы изобретения, а именно; создание по стенкам камеры возрастающего сверху вниз градиента температуры позволяет. установить в объеме камеры движение смеси газа и пара, благодаря которсму вблизи дна камеры возникает область пересыщенного
55 пара — чувствительный слой, в котором ре. гистрируют треки заряженных частиц. Весьма важно подчеркнуть, что выполнение и.1 формулы изобретения, позволяет получать пересыщенный пар практически любой жидкости. Согласно законам термодинамики пересыщение, необходимое для образования капель на ионах, выражается формулой где r — радиус капли, а — коэффициент поверхностного напряжения, р — плотность жидкости, Т вЂ” температура пара,,и — молекулярный вес пара. Й вЂ” газовая постоянная. е — заряд электрона. Видно, что никаких термодинамических ограничений на природу жидкости, которая может быть применена для получения необходимого для регистрации треков пересыщения не существует, Выбор рабочей жидкости определяется только удобством ее применения при применении заявляемого способа для решения конкретных задач. Основными факторами, влияющими на выбор рабочей жидкости является ее безопасность в применении и температуре кипения — T . Температура кипения жидкости в значительной мере определяет собой рабочие температуры дна и крышки камеры. Чем выше тейпература кипения жидкости, тем больше должна быть температура дна и крышки для получения требуемого пересыщения. Так, например, применение в качестве рабочих жидкостей ацетона, метилового спирта, этилового спирта, эфира и их смесей требует охлаждения дна до температур -40 — — 800C при температурах крышки -5 — 15 С.
Для работы при более высоких температурах требуются жидкости с большей температурой кипения, например. как указано в работе высокотемпературные, высокомолекулярные спирты иэ ряда: бутиловый спирт — Т,=-117", пиридин — Т,= 156,2, этиленгликоль Т,=-197,3, глицерин — Т,=290 . Наиболее доступны и удобны в применении смеси спиртов с водой, например. смесь глицерина с водой. Это обусловлено тем. что состав такой смеси можно изменять произвольно. т.е, содержание одного иэ компонент можно изменять от нуля до 1. Соответственно этому изменяют и парциальное давление пара одного иэ компонент смеси. Кроме упомянутых жидкостей применялись также ацетон, бенэол, эфир, вода, анилин, парафин, пары нафталина, камфоры. Как ухр. упо".1 1нзлось, любая жидкость и пары лн>бого л.щества
1831690
20
30
40
50
«.,i уг быгь использованы для получения не«бходимого для образования новой фазы (жидкой или твердой) на ионах в пересыщенном паре. Так например, при темпера-. туре ниже — 50 С в камере, заполненной воздухом и парами воды, наблюдались треки заряженных частиц, состоящие из кристалликов льда. Треки заряженных частиц, состоящие из кристалликов льда под действием сил тяжести опускаются на дно и могут сохраняться длительное время, зто позволяет регистрировать интегральный эффект, т.е, накопление большого числа треков, осевших на дно камеры в течение длительного времени.
Такой же эффект при более, высоких температурах(выше комнатной) наблюдается при использовании в камере воздуха и паров парафина.
Достаточно широкий диапазон рабочих температур можно получить, если взять две взаиморастворимые жидкости с различающимися более чем на 30 С температурами кипения. Зто требование зафиксировано в
П,6 формулы изобретения. Во всех случаях температура дна поддерх ивается ниже температуры конденсации пара, Регистрация треков происходит в результате конденсации пара на ионах и образования капель жидкости (или твердых частичек), которые оседают на дно. Для того, чтобы этот процесс проходил, необходимо, чтобы температура дна камеры была ниже температуры конденсации пара. Это условие содержится в П.2 формулы изобретения, Температура крышки камеры поддерживается выше температуры конденсации пара, заполняющего обьем камеры, для того, чтобы предотвратить конденсацию пара на поверхности прозрачного окна через коtoðîe ведется наблюдение и регистрация треков. Конденсация пара на поверхность прозрачного окна ухудшает условия наблюдения, поэтому ее следует предотвратить, как зто указано в п.2 формулы изобретения.
Формула изобретения
1. Способ регистрации заряженных частиц с помощью конденсационной камеры, заполненнсй рабочей средой, основанный на создании в камере эоны образования треков заряженных частиц чувствительного слоя и наблюдении треков в ходе регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности измерения путем стабилизации степзни пересыщения пара в чувствительном слое, вдоль стенок камеры создают возрастающий сверху вниз градиент температуры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возрастающий сверху вниз градиент температуры создают путем поддержания температуры дна ниже, а температуры крышки камеры выше температуры конденсации пара.
3. Способ по пп;1 и 2, отл и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью наблюдения треков заряженных частиц, образованных радиоактивным газом, исследуемый газ используют в качестве компонента рабочей среды, а температуру дна камеры устанавливают выше температуры его концентрации.
4. Способ по пп.1-3,. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью раздельной регистрации треков заряженных частиц. образующихся при распаде радона и его дочерных продуктов, содержащихся в воздухе, продукты распада радона в воздухе смещают в чувствительный слой электрическим полем, увеличивают в объеме камеры вблизи дна градиент температуры путем нагрева, причем нагрев прекращают после достижения условия TR A Тп, где Тя,д — время жизни
R,A, а Тп — время нахождения продуктов распада в чувствительном слое, которое определяют по времени существования трека в чувствительном слое.
5. Способ по пп.1-4, о т л и ч а ю щ и й-. с я тем, что, с целью упрощения реализации способа, устанавливают температуру дна выше температуры окружающей среды, 6. Способ по пп.1 — 5, отличающийся тем, что, с целью расширения области рабочих температур, в качестве компонента рабочей среды используют смесь вэаиморастворяющихся жидкостей с различающимисяя 6ол ее, чем на 30"С температурами кипения, 7. Способ по пп.1-5, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в качестве компонент смеси используют жидкости из ряда: ацетон, вода. анилин, глицерин.
8. Способ по пп.1-7, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью спектрометрии заряженных частиц, треки наблюдают путем регистрации с помощью ФЭУ рассеянного на них зондирующего света и осуществляют амплитудный анализ импульсов с ФЗУ.
9. Способ по пп.1-8, о т л и ч а ю щ и й= с я тем, что, с целью упрощения реализации способа, центральную часть дна камеры поддерживают при температуре ниже температуры периферии дна.
10. Способ по пп.1-9, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что вблизи дна создают градиент температуры не менее 3 С.
