Устройство для регистрации заряженных частиц

 

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. Устройство, включающее микроканальные пластины и систему анодов, размещенных в вакуумированном корпусе, снабжено пассивным мультиплексором, содержащим линии задержки и фильтры нижних частот по числу анодов, и сумматор импульсов. Технический результат: получение временной информации о начале излучения, достижение регистрации начала излучения с точностью до 0,05 нс. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано в целях совершенствования техники регистрации потоков заряженных частиц.

Существует большое число устройств для регистрации заряженных частиц, дающих информацию о пространственном и временном распределении ионизирующих частиц в потоке, а также зарядовую информацию для этих частиц. При определения координат используются система проводников и резистивных дорожек [1], специальное расположение детекторов [2], волоконные световоды со сцинтилляционными сердечниками [3] , устройство независимого считывания сигнала с различных частей детектора [4], система светодиодов [5], регистрация зарядового рельефа выходной поверхности микроканальной пластины (МКП) [6], пропорциональное координате деление заряда поступающей на коллектор электронной лавины с МКП [7]. Эти устройства решают задачи позиционно-чувствительной регистрации излучения, однако в практически важном случае одновременного получения информации о пространственных и временных характеристиках потоков заряженных частиц не могут быть применены. В ряде случаев, например при анализе ядерной реакции, такая информация необходима.

Наиболее близким по технической сущности устройством к предлагаемому является прибор с МКП для подсчета заряженных частиц [8], содержащий микроканальные пластины и систему анодов, размещенные в вакуумированном корпусе, а также блок регистрации зарядов на анодах. Это устройство также не дает информации о необходимых для анализа ядерной реакции временных характеристиках потока ионизирующих частиц.

Задача изобретения состоит в получении кроме пространственной характеристики излучения также и временной информации о начале излучения для запуска аппаратуры детального анализа продуктов реакции.

Техническим результатом изобретения является достижение регистрации начала излучения с точностью до 0,05 нс.

Задача решена тем, что известное устройство для регистрации заряженных частиц, включающее микроканальные пластины и систему анодов, размещенных в вакуумированном корпусе, в соответствии с изобретением снабжено пассивным мультиплексором, содержащим линии задержки и фильтры нижних частот (ФНЧ) по числу анодов, и сумматор импульсов, при этом входы линий задержки и ФНЧ соединены с анодами, выходы ФНЧ являются выходами зарядового сигнала, выходы линий задержки соединены со входами сумматора импульсов, выход которого является выходом стартового сигнала.

Задача решена также тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на кольцевых мостах по параллельной схеме.

Задача решена также тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на направленных ответвителях по параллельной схеме.

Задача решена также тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на направленных ответвителях по последовательно-параллельной схеме.

Задача решена также тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на направленных ответвителях по последовательной схеме.

Задача решена также тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов по схеме на направленных ответвителях и кольцевых мостах.

Задача решена также тем, что размеры направленных ответвителей и кольцевых мостов выбирают исходя из полосы частот стартового сигнала и размеров устройства.

Блок-схема устройства для системы из 8-ми анодов представлена на фиг. 1. Устройство содержит сборку из двух МКП - МКП1 и МКП2, систему анодов 1-8, вакуумированный корпус 9, мультиплексор 10, с фильтрами нижних частот (ФНЧ) 11 - 18, линиями задержки 19 - 26, сумматором импульсов 27. Входы линий задержки 19 - 26 и ФНЧ 11 - 18 соединены с помощью микрополосковых линий с анодами 1-8, выходы ФНЧ 37 - 44 являются выходами зарядового сигнала. Выходы линий задержки соединяются со входами 28 - 35 сумматора импульсов 27, коаксиальный выход 36 которого является выходом стартового сигнала. Все названные элементы помещены в упомянутый корпус 9, подвод напряжения питания к микроканальным пластинам от источника U₀ реализуется с помощью внешнего делителя на резисторах R₁ - R₃ через выводы 45 - 48. Объем 49 с геттером имеет вакуумное соединение с корпусом 9 и выводы 50, 51 для подачи напряжения активации.

При попадании заряженных частиц на приемную поверхность МКП1 происходит выбивание вторичных электронов в каналах, их умножение и образование электронных сгустков, состоящих из 10³ - 10⁶ электронов. При вылете этих сгустков из выходной поверхности МКП2 и их движении к анодам 1 - 8 в последних образуются импульсы наведенного заряда. Эти импульсы формируют на входном сопротивлении подключенных микрополосковых линий импульсы напряжения, которые разделяются в мультиплексоре 10 по двум каналам - каналам быстрого и медленного сигналов. Каналы быстрого сигнала образованы фазовращателями 19 - 26 и микрополосковыми линиями между этими фазовращателями и входами 28 - 35 сумматора импульсов 27. В этих каналах выравниваются времена прихода импульсов с крутыми фронтами, подаваемых на сумматор. Каналы медленного сигнала образованы ФНЧ 11 - 18 и пропускают только низкочастотную составляющую импульсов, несущую информацию о заряде, наведенном на анодах 1 - 8. Сумматор импульсов 27 служит для сложения импульсов в каналах быстрого сигнала и образования стартового сигнала, сигнализирующего о приходе заряженных частиц на несколько анодов и начале реакции.

Сумматор импульсов должен удовлетворять требованиям, вытекающим из условия сложения импульсов при их одновременном приходе на входы 28 - 35 для увеличения амплитуды результирующего стартового импульса на выходе 36. Для выполнения этих требований использовались известные схемы сумматоров мощности гармонических сигналов [9] при выборе геометрических размеров конструктивных элементов используемых кольцевых мостов и направленных ответвителей в соответствии с требованиями на габариты детектора, а также учете строгого выполнения симметрии схем для получения необходимых для сложения импульсов фазовых соотношений между спектральными составляющими в полосе частот стартового сигнала. По сравнению с суммированием гармонических сигналов при суммировании импульсных сигналов приемлемы фазовые соотношения в виде синфазности или противофазности комплексных амплитуд гармоник различных импульсов в полосе частот стартового сигнала. Другие фазовые соотношения в общем случае ведут к искажению сигналов при суммировании.

Исходными геометрическими параметрами для проектирования детектора являются внешний и внутренний диаметры кольца, образуемого системой детекторов, каждый из которых имеет анодную матрицу в форме кольцевого сектора. На площади этой матрицы размещаются все конструктивные элементы мультиплексора, после чего становится известной полоса рабочих частот направленных ответвителей, кольцевых мостов и связанное с этой полосой время фронта импульсов в каналах быстрого сигнала, от которого в конечном счете зависит точность регистрации начала реакции.

Схема сумматора импульсов представлена на фиг. 2. Идентичные кольцевые мосты М1 - М7 соединены в параллельную схему суммирования сигналов со входов 28 - 35 сумматора. Конденсаторы C, включенные между входами сумматора и входами мостов М1 - М4, обеспечивают развязку анодов по зарядовому сигналу. Резисторы r являются балластными нагрузками кольцевых мостов. Симметрично включенными являются кольцевые мосты М1 - М4, М5 - М6.

Схема сумматора импульсов представлена также на фиг. 3. Суммирующими элементами являются идентичные сдвоенные направленные ответвители НО1 - НО7, наиболее удовлетворяющие упомянутым выше условиям симметрии. Резисторы R - согласованные балластные нагрузки микрополосковых линий. Как и на фиг. 2, 28 - 35 - входы сумматора, 36 - выход сумматора (стартового сигнала).

Схема последовательного сложения импульсов в сумматоре представлена на фиг. 4. Направленные ответвители НО13 - НО20 обладают различным переходным затуханием в соответствии с требованиями для последовательного сложения моногармонических сигналов [9]. Переходные затухания ответвителей равны 3 дБ для НО13, 4,78 дБ для НО14 и т.д. Требование симметрии для сложения импульсных сигналов применительно к такой схеме состоит в равенстве электрических длин от анодов до выхода 36, которое реализуется фазовращателями 19 - 26. В качестве фазовращателей могут использоваться микрополосковые линии необходимой длины.

Схема сумматора импульсов представлена также на фиг. 5. Направленные ответвители НО8 - НО12 реализуют последовательно-параллельное суммирование, требующее минимального количества таких ответвителей.

Схема сумматора импульсов представлена также на фиг. 6. В этой схеме использованы одинаковые направленные ответвители НО21 - НО24 и одинаковые кольцевые мосты М8 - М10.

Преимуществом кольцевого моста как суммирующего элемента двух сигналов является боле простая технология изготовления при малом затухании, близком к 3 дБ, и меньшие габариты по сравнению с направленным ответвителем. Направленный ответвитель при суммировании обеспечивает большую развязку между суммируемыми сигналами. Выбор схемы сумматора определяется комплексом требований по затуханию, развязке, габаритам, используемой технологии изготовления. Расчет и проектирование элементов при известной полосе и габаритах представляют собой чисто инженерные задачи, см. например, [10]. Были использованы технологические возможности предприятий Санкт-Петербурга при изготовлении тонкостенных металлических вакуумных объемов, разъемов СВЧ и высоковольтных, контактов с металлизированным покрытием микроканальных пластин.

Пример конкретного выполнения детектора показан на фиг. 7 (точечный рисунок .bmp). Обозначения элементов соответствуют фиг. 1, а 52 - конструктивный элемент для отпайки после откачки и отжига. Не обозначенные выводы через фланец заземлены. Показана топология сумматора на 5-ти направленных ответвителях в соответствии с фиг. 5. Точки на концах микрополосковых проводников означают контакт с анодами, расположенными под пластиной сумматора. Под анодами располагается сборка МКП. Резисторы R на концах проводников - заземленные согласованные нагрузки микрополосковых линий, 1-4 аноды, симметричные им аноды 5-8 не обозначены. Не обозначены и некоторые другие симметричные элементы, указанные далее в скобках, 9 - корпус детектора, 11-14 (15-18) - ФНЧ, 19-22 (23-26) - фазовращатели в виде отрезков микрополосковых линий, 28-31 (32-35)-входы сумматора, 36 - выход сумматора, 37-44 - выходы зарядовых сигналов, 45-48 - выводы МКП, 49-корпус баллона с геттером, 50-51 - выводы для активации геттера.

Для испытания детектора проведены эксперименты по регистрации α-частиц с энергией до 9 Мэв, β-частиц с энергией до 2 Мэв, γ-излучения с энергией до 2 Мэв, осколков деления калифорния с энергией до 400 Мэв. Применена методика регистрации совпадений импульсов с анодов (после задержки) и с выхода сумматора предложенного детектора на стендах НИИ-физики СПбГУ и Ускорительной лаборатории Ювяскюля (Финляндия), которая показала возможность регистрации начала излучения с точностью 0.05 нс, то есть достижения запланированного технического результата.

Литература 1. Система определения координат попадания заряженных частиц. Патент Японии, N 5-25312.

2. Система полупроводниковых детекторов, определяющих координаты попадания частиц радиоактивного излучения. Патент Японии, N 5-33354.

3. Координатный датчик ионизирующих излучений. Патент США, N 3334839.

4. Блок для вычисления координат попадания в детектор частиц радиоактивного излучения. Патент Японии. N 5-45919.

5. Полупроводниковый детектор частиц р/а излучения с определением координат попадания частиц. Патент Японии, N 5-45148.

6. Способ детектирования излучения. Авторское свидетельство СССР N 1277032.

7. Устройство с позиционно-чувствительными детекторами для определения координаты электронной лавины. Авторское свидетельство СССР N 1711108.

8. Прибор с МКП для подсчета заряженных частиц. Патент Японии, N 5-18389.

9. Вамберский М. В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ. Под ред. М.В.Вамберского - М.: Высшая школа, 1984. с. 379.

10. Конструирование и расчет полосковых устройств. Под ред. проф. И.С. Ковалева. - М.: Сов. радио, 1974, 296 с.

Формула изобретения

1. Устройство для регистрации заряженных частиц, включающее микроканальные пластины и систему анодов, размещенных в вакуумированном корпусе, отличающееся тем, что оно снабжено пассивным мультиплексором, содержащим линии задержки и фильтры нижних частот (ФНЧ) по числу анодов, и сумматор импульсов, при этом входы линий задержки и ФНЧ соединены с анодами, выходы ФНЧ являются выходами зарядового сигнала, выходы линий задержки соединены со входами сумматора импульсов, выход которого является выходом стартового сигнала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на кольцевых мостах по параллельной схеме.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на направленных ответвителях по параллельной схеме.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на направленных ответвителях по последовательно-параллельной схеме.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов на направленных ответвителях по последовательной схеме.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сумматор импульсов выполнен в виде сумматора гармонических СВЧ-сигналов по схеме на направленных ответвителях и кольцевых мостах.

7. Устройство по любому из пп. 2-6, отличающееся тем, что размеры направленных ответвителей и кольцевых мостов выбираются исходя из полосы частот стартового сигнала и размеров устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7