Пороговый газовый черенковский детектор

Изобретение относится к технике регистрации ионизирующих излучений, в частности к пороговым газовым черенковским детекторам. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности детектора за счет уменьшения люминесценции в газовом радиаторе и снижение рабочего давления газа в радиаторе. Сущность: детектор содержит газовый радиатор, светособирающую систему и фотоэлектронный преобразователь. Радиатор наполнен смесью углекислого газа СО2 и элегаза SF6 с соотношением парциальных давлений соответственно от 1:9 до 1:11. Рабочее давление смеси газов определяется выражением, связывающим массу заряженной частицы, скорость света в вакууме, пороговую энергию регистрируемых частиц и постоянную, зависящую от состава смеси. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике регистрации ионизирующих излучений, в частности к пороговым газовым черенковским детекторам.

Пороговый газовый детектор должен регистрировать электроны и другие заряженные частицы, движущиеся со скоростью β>0.999 и выше, где β есть отношение скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме. При этом уровень люминесценции газа при возбуждении его молекул регистрируемым ионизирующим излучением должен быть минимальным при наименьшем рабочем давлении газа в радиаторе.

Известен пороговый газовый черенковский детектор для регистрации электронов [1]. Этот детектор состоит из черенковского радиатора в виде резервуара с элегазом SF6, находящимся под давлением, подсоединенной к нему системы светосбора в составе сферического и плоского зеркал, и шести фотоумножителей для регистрации черенковского светового излучения. Электрон, двигаясь в черенковском радиаторе со скоростью большей, чем скорость света в элегазе, излучает световые фотоны, которые попадают на светособирающую систему, где собираются и фокусируются на оптических входах фотоэлектронных умножителей, которые преобразуют световой сигнал в электрический аналог для дальнейшей регистрации. Для регистрации заряженных частиц, движущихся в радиаторе со скоростью β≈0.999, необходимо, чтобы газ находился в радиаторе под давлением 1.25 атм, что близко к нормальному.

Недостатком устройства является то, что используемый в нем элегаз SF6 люминесцирует под воздействием радиации, что подтверждается экспериментально зарегистрированным спектром люминесценции элегаза SF6 при возбуждении альфа-частицами 238Pu, представленном на фиг.1, что приводит к снижению чувствительности детектора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является пороговый газовый черенковский детектор гамма-излучения [2], состоящий из бериллиевого конвертора, газового черенковского радиатора с углекислым газом CO2, находящимся под давлением, светособирающей системы, построенной на основе сферического и плоского зеркал, и фотоэлектронного умножителя. Гамма-кванты, падающие на конвертор, преобразуются в нем в комптоновские электроны, которые, двигаясь в черенковском радиаторе, излучают световые кванты черенковского излучения. Эти кванты собираются с помощью сферического и плоского зеркал и фокусируются на оптическом входе фотоэлектронного умножителя. В фотоэлектронном умножителе световой сигнал преобразуется в электрический аналог для дальнейшей регистрации.

Уровень люминесценции углекислого газа СО2 под воздействием радиации в 1.8 раза меньше, чем у элегаза SF6, что подтверждается спектром люминесценции углекислого газа СО2, приведенным на фиг.2. Однако он остается достаточно большим, и при энергии комптоновского электрона ˜10 МэВ этот уровень соизмерим с уровнем черенковского излучения, что отрицательно сказывается на чувствительности детектора. Кроме того, для достижения порога регистрации частиц, движущихся со скоростью β=0.999, давление этого газа должно быть 2,51 атм, что в 2 раза больше, чем у предыдущего детектора.

Недостатком прототипа является невысокая чувствительность детектора из-за наличия люминесценции в газовом радиаторе при высоком рабочем давлении газа.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение чувствительности детектора за счет уменьшении люминесценции в газовом радиаторе и снижение рабочего давления газа в радиаторе.

Технический результат достигается тем, что в пороговом газовом черенковском детекторе, содержащем газовый радиатор, светособирающую систему и фотоэлектронный преобразователь, радиатор наполнен смесью углекислого газа СО2 и элегаза SF6 с соотношением парциальных давлений соответственно от 1:9 до 1:11, а рабочее давление смеси газов определяется выражением:

где m - масса заряженной частицы; с - скорость света в вакууме; Епор - заданная пороговая энергия регистрируемых частиц; k - постоянная, зависящая от состава смеси.

На фиг.1 приведен спектр люминесценции элегаза SF6 при возбуждении альфа-частицами 238Pu, на фиг.2 приведен спектр люминесценции углекислого газа СО2 при возбуждении альфа-частицами 238Pu, на фиг.3 приведено схематическое изображение предложенного детектора, на фиг.4 приведен спектр люминесценции смеси углекислого газа СО2 и элегаза SF6 при соотношении парциальных давлений 1:9,7 при возбуждении альфа-частицами 238Pu.

Предлагаемый пороговый газовый черенковский детектор содержит радиатор 1, наполненный находящейся под давлением смесью углекислого газа CO2 и элегаза SF6 при соотношении парциальных давлений газов от 1:9 до 1:11, светособирающую систему 2 и фотоэлектронный преобразователь 3, выход которого является выходом детектора.

Детектор работает следующим образом.

На газовый радиатор 1 поступают заряженные частицы. При скорости частиц больше скорости света в газовом радиаторе они излучают световое черенковское излучение. Так как скорость частиц однозначно связана с их энергией, то излучать будут заряженные частицы, энергия которых выше пороговой Епор, определяемой по формуле:

где m - масса заряженной частицы; с - скорость света в вакууме; β - минимальная относительная скорость частицы, при которой будет наблюдаться черенковское излучение.

Так как в качестве радиатора 1 использован газ, то минимальная относительная скорость частицы β связана с давлением газа Р по формуле:

где k - постоянная, зависящая от состава газа. Выразив из (1) β и подставив в (2), получаем формулу, связывающую рабочее давление газа в радиаторе с порогом энергии частицы, при которой возникает черенковское излучение, в следующем виде:

Постоянная k, выраженная в 1/атм, находится из следующего равенства:

k=С1n1+C2n2-1,

где C1 - отношение парциального давления углекислого газа CO2 к полному давлению смеси углекислого газа CO2 и SF6 при нормальных условиях; n1 - показатель преломления углекислого газа СО2 при нормальных условиях; С2 - отношение парциального давления элегаза SF6 к полному давлению смеси углекислого газа СО2 и SF6 при нормальных условиях; n2 - показатель преломления элегаза SF6 при нормальных условиях. Величина k для указанного диапазона парциальных давлений будет лежать в границах от 7.6·10-4 1/атм (для соотношений парциальных давлений 1:9) до 7.7·10-4 1/атм (для соотношений парциальных давлений 1:11). При этом давление смеси газов будет лежать в диапазоне от 1.32 до 1.31 атм, что ниже, чем в прототипе.

Световое черенковское излучение с радиатора 1 собирается и фокусируется светособирающей системой 2 на оптическом входе фотоэлектронного преобразователя 3, который преобразует его в электрический сигнал для дальнейшей регистрации.

В качестве газа черенковского радиатора использована смесь углекислого газа CO2 и элегаза SF6 в пропорциях по парциальным давлениям соответственно от 1:9 до 1:11. На фиг.4 приведен полученный экспериментальным путем спектр люминесценции смеси этих газов при соотношении парциальных давлений CO2 и SF6 1:9.7, возникающей под действием альфа-частиц 238Pu. Уровень сигнала люминесценции указанной смеси газов находится на уровне шумов и значительно меньше, чем у чистых CO2 и SF6 в отдельности.

Диапазон оптимальных соотношений парциальных давлений углекислого газа СО2 и элегаза SF6 был найден экспериментальным путем. При других соотношениях парциальных давлений появляются дополнительные линии люминесценции, свойственные выбранным газам в смеси.

Отсутствие люминесценции в предлагаемом составе смеси газов CO2 и SF6 приводит к уменьшению шумовой составляющей в выходном сигнале черенковского детектора, а значит, чувствительность предлагаемого детектора выше, чем у прототипа. Это увеличение зависит от типа регистрируемого излучения и конкретного типа детектора. В сравнении с прототипом, при регистрации комптоновких электронов с энергией 10 МэВ за счет устранения люминесценции увеличение чувствительности составит почти 2 порядка, как показали расчеты, приведенные в /2/. Кроме того, рабочее давление газовой смеси в радиаторе почти в 2 раза меньше, чем в прототипе.

Источники информации

1. В.П.Зрелов. «Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий». М.: Атомиздат, 1968, с.104.

2. J.M.Mack et al. «Observation of high-energy deuterium-tritium fusion gamma rays using gas Cherenkov detectors». Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 513 (2003) 506-572.

Пороговый газовый черенковский детектор, содержащий газовый радиатор, светособирающую систему и фотоэлектронный преобразователь, отличающийся тем, что в нем радиатор наполнен смесью углекислого газа СО2 и элегаза SF6 с соотношением парциальных давлений соответственно от 1:9 до 1:11, а рабочее давление смеси газов определяется выражением

где m - масса заряженной частицы; с - скорость света в вакууме; Епор-заданная пороговая энергия регистрируемых частиц; k - постоянная, зависящая от состава смеси.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технической физики, а именно к устройствам для детектирования ионизирующих излучений, и предназначено для спектрометрии гамма-квантов и электронов высоких энергий.

Изобретение относится к экспериментальной физике элементарных частиц и может быть использовано в экспериментах на ускорителях частиц и коллайдерах. .

Изобретение относится к экспериментальным методам ядерной физики и может быть использовано при работе на ускорителях и в космофизических экспериментах. .

Изобретение относится к экспериментальным методам ядерной физики и может быть использовано в схемах ввделения направления прилета заряженных частиц при работе на ускорителях и в космофизической аппаратуре.

Изобретение относится к технике регистрации потока ионизирующего излучения однократного процесса нано- и субнаносекундной длительности и может быть использовано при регистрации гамма-квантов большой энергии при малой плотности потока

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты

Изобретение относится к области измерения радиоактивности и предназначено для регистрации высокоэнергетических бета-излучателей в водных потоках по черенковскому излучению. Изобретение включает измерительную емкость с размещенным внутри нее прозрачным сосудом, имеющую вход и выход для исследуемой жидкой среды; по крайней мере, четыре фотоэлектронных умножителя, соединенные с измерительной емкостью, каждый из которых помещен в светозащитный корпус; усилители импульсов, подключенные к фотоэлектронным умножителям; блок обработки информации, соединенный с усилителями импульсов, при этом фотоэлектронные умножители расположены в непосредственной близости к стенкам прозрачного сосуда и на равноудаленном расстоянии друг от друга. Технический результат - определение эффективности регистрации в процессе измерения (по системе TDCR) и идентификация преобладающего в данной пробе бета-излучателя по соотношению двойных, тройных и более высокой кратности совпадений. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам регистрации оптических изображений, сформированных с помощью протонного излучения. Способ получения протонных изображений включает в себя этапы, на которых осуществляют пропуск протонного пучка через область исследования и его регистрацию до и после прохождения им области исследования путем направления пучка протонов в конвертер, преобразующий протонное излучение в фотоны, которые затем направляют на вход ПЗС-матрицы для получения цифровых изображений, с последующей их обработкой путем сведения к одному ракурсу и попиксельного деления изображения, полученного после прохождения пучком области исследования, на изображение, полученное до прохождения им области исследования, при этом в результате преобразования протонного излучения в фотоны формируют узконаправленный пучок фотонов путем направления пучка протонов в конвертер, преобразующий протонное излучение в излучение Вавилова-Черенкова, при этом газ, которым заполняют рабочий объем конвертера, выбирают из условия, чтобы его коэффициент преломления находился в диапазоне 1,0001-1,001, далее сформированный пучок фотонов фокусируют и направляют на вход ПЗС-матрицы. Технический результат – повышение качества изображения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий. Предложен способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней, состоящий из системы детекторов черенковского излучения, при этом детекторы черенковского излучения устанавливаются на беспилотные летательные аппараты. Технический результат – повышение эффективности регистрации излучения.
Наверх