Детектор черенкова для регистрации импульсов гамма-излучения нано- и субнаносекундной длительности

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. Технический результат - повышение чувствительности детектора Черенкова. Технический результат в детекторе Черенкова для регистрации импульсов гамма-излучения нано- и субнаносекундной длительности, содержащем (γ, е) конвертор, газовый радиатор, поворотное зеркало и фотодетектор, достигается тем, что фотодетектор лавинного типа с временным разрешением ~0,1 нс, не зависящим от его фоточувствительной площади, установлен после поворотного зеркала, причем фоточувствительная площадь

S_фл фотодетектора лавинного типа соответствует площади поперечного сечения газового радиатора S_рад, т.е. S_фл~S_рад, электрические выводы фотодетектора лавинного типа соединены через кабель с многоканальным временным анализатором, а также тем, что фотодетектор лавинного типа выполнен в виде газонаполненного искрового счетчика, содержащего в газовом объеме газовую смесь (С₂Н₂F₄+10%SF₆), со стороны источника света - полупрозрачную сетку, диэлектрическую пластину из стекла, на которую нанесен фотокатод (CsJ), и металлический анод. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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.

Известен детектор Черенкова с газовым радиатором (ДЧГ) /1/, выполненный в виде полого цилиндра, заполненного газом, по оси которого последовательно расположены (γ, е) - конвертор из Be, радиатор в виде газа CO₂, система сбора света из плоских и сферических зеркал и фотодетектора в виде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Недостатком детектора /1/ является недостаточное временное разрешение, составляющее ~0,35 нс при требуемом значении ~0,1 нс. Для реализации временного разрешения ~0,1 нс при большой чувствительности необходимо собрать оптические кванты, генерируемые в газовом радиаторе диаметром ~10 см, в пятно размером

~1 мм², что дает возможность использования электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с временным разрешением <10^-10 с. В конструкции детектора /1/ система сбора света из-за высокой анизотропии излучения Черенкова обеспечивает его сбор лишь в пятно диаметром ~15 мм, что привело к необходимости использования в качестве фотодетектора фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) с временным разрешением ~0,35 нс. Таким образом, детектор, приведенный в /1/, имеет относительно низкую чувствительность и временное разрешение.

Известен пороговый газовый черенковский детектор /2/, содержащий газовый радиатор, светособирающую систему и фотоэлектронный преобразователь. В детекторе /2/ в качестве радиатора использована смесь углекислого газа СО₂ и элегаза SF₆ с соотношением парциальных давлений от 1:9 до 1:11, что дало возможность уменьшить люминесценцию газового радиатора и тем самым привело к существенному увеличению отношения числа оптических квантов Черенкова к фоновым квантам от сцинтилляции газа на единицу поглощенной энергии быстрого электрона и, как следствие, к повышению чувствительности ДЧГ. Для измерений с временным разрешением <0,1 нс в качестве фотодетектора (необходимо) использован ЭОП, имеющий входное окно площадью ~(1-5) мм². Однако и в этой работе оптическая система сбора излучения Черенкова неэффективна из-за большой анизотропии излучения Черенкова и при сечении радиатора ~100 см² не может собрать все излучение Черенкова в малое пятно. По этой причине детектор /2/ не может обеспечить одновременно и высокую чувствительность, и высокое временное разрешение.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является детектор Черенкова для регистрации импульсов ионизирующего излучения субнаносекундного диапазона, содержащий (γ, е) конвертор, газовый радиатор, поворотное зеркало и фотодетектор /2/. Как уже отмечалось выше, недостатком детектора /2/ является низкая чувствительность, определяемая неэффективным сбором оптических квантов Черенкова (1~2%).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности детектора Черенкова благодаря существенному повышению эффективности сбора оптических квантов Черенкова, генерируемых во всем объеме газового радиатора, при обеспечении временного разрешения ~0,1 нс.

Технический результат в детекторе Черенкова для регистрации импульсов гамма-излучения нано- и субнаносекундной длительности, содержащем (γ, е) конвертор, газовый радиатор, поворотное зеркало и фотодетектор, выходы которого через коаксиальные кабели соединены с многоканальным временным анализатором, достигается тем, что фотодетектор лавинного типа с временным разрешением ~0,1 нс, не зависящим от его фоточувствительной площади, установлен после поворотного зеркала, причем фоточувствительная площадь S_фл фотодетектора лавинного типа соответствует площади поперечного сечения газового радиатора S_рад, т.е. S_фл~S_рад.

Технический результат достигается также тем, что фотодетектор лавинного типа выполнен в виде газонаполненного искрового счетчика, содержащего в газовом объеме газовую смесь (C₂H₂F₄+10% SF₆), со стороны источника света - полупрозрачную сетку, диэлектрическую пластину из стекла, на которую нанесен фотокатод (CsJ), и металлический анод.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в детекторе Черенкова обеспечен максимально полный сбор оптических квантов. Конструктивно это решено использованием определенных типов фотодетекторов лавинного типа и выполнением фоточувствительной площади сечения S_фл фотодетектора, соответствующей площади поперечного сечения радиатора S_фл~S_рад.

Схематично предлагаемое устройство представлено на фиг.1, а на фиг.2 представлен один из возможных вариантов фотодетектора лавинного типа, выполненного в виде газонаполненного искрового счетчика. На фиг.3 представлена расчетная импульсная характеристика одного канала фотодетектора лавинного типа, выполненного в виде газонаполненного искрового счетчика. По оси X отложено время T нарастания выходного сигнала с одного виртуального канала в долях 10^-9 с при расстоянии между анодом и катодом d=0,2 мм и скорости движения лавины ~2×10⁸ мм/с, по оси ординат М - коэффициент умножения в лавине; t=0 - момент вылета электрона из катода. На фиг.4 приведена расчетная импульсная характеристика сбора световых квантов излучения Черенкова в плоскости фотодетектора лавинного типа для конструкции предлагаемого детектора при длине радиатора 100 см и диаметре ~10 см.

Принятые обозначения. На фиг.1: конвертор 1, газовый радиатор 2, поворотное зеркало 3, многоканальный фотодетектор 4, многоканальный временной анализатор 5. На фиг.2: металлический бокс 6, металлическая сетка 7, стекло 8, фотокатод 9, анод 10, газ (C₂H₂F₄+10% SF₆) обозначен позицией 11, коаксиальный кабель 12.

Анод 10 может быть выполнен в виде диэлектрической пластины с нанесенными на нее металлическими полосковыми линиями, по которым осуществляется съем электрических импульсов от каналов фотодетектора 4.

Как уже отмечалось выше, поток оптических квантов излучения Черенкова измеряется фотодетектором 4 лавинного типа практически со всей площади газового радиатора, причем временное разрешение фотодетектора не зависит от его площади. Фотодетектор не может быть одноканальным, так как при большой его фоточувствительной площади временное разрешение, определяемое значением RC выходной цепи, будет существенно превышать величину ~10^-10 с. Поэтому предложено использовать фотодетектор лавинного типа, например, выполненный в виде 2-электродной плоской искровой камеры, один электрод которой выполнен из стекла /3/, с нанесенным на него изнутри слоем CsJ. При падении на фотокатод оптического кванта из него вылетает электрон с малой энергией (~ эВ), который попадает в сильное электрическое поле с напряженностью Е~10⁵ В/см, создаваемое соответствующими напряжениями на сетке 7 и аноде 10, и при движении электрона со скоростью v~2·10⁷ см/с происходит лавинное нарастание его электрического заряда со скоростью α~10¹⁰ l/с до значения q~10^-13 Кл, достаточного для его регистрации с дисперсией временной отметки <10^-10 с. При этом поперечное сечение лавины <1 мм², которое можно рассматривать как предельный размер виртуального канала многоканального фотодетектора. Таким образом, в фотодетекторе лавинного типа каналы преобразования света в электрический заряд образуются в результате развития множества лавин, поперечное сечение каждой из которых имеет малую площадь <1 мм² /3/. Каждый канал является независимым детектором с высоким временным разрешением. Фотодетектор 4 становится многоканальным детектором. При этом чувствительность фотодетектора 4 лавинного типа будет определяться общей фоточувствительной площадью, а временное разрешение - временным разрешением одного канала.

В прелагаемом техническом решении осуществлен счетный метод измерения потока гамма-квантов Φ_γ(t), т.е. измерение временного распределения оптических квантов, когда импульс тока на выходе канала - i(t) есть его реакция на взаимодействие с одним квантом в момент t_k:

где g(t) - импyльcнaя характеристика фотодетектора 4, равная импульсу тока на его выходе после взаимодействия с одним квантом (частицей), а_к - амплитуда импульса.

Отсюда определяются требования к каналам фотодетектора лавинного типа:

- амплитуда тока на выходе канала - а_к, должна быть достаточной для его временного фиксирования в многоканальном амплитудном анализаторе (МВА),

- число каналов в фотодетекторе лавинного типа должно быть велико, чтобы при регистрации квантов изменение чувствительности измерений было незначительным. Это означает, что фоточувствительная площадь одного канала S_фк много меньше фоточувствительной области многоканального фотодетектора S_фд, т.е. S_фк<S_фд.

Из этих требований следует, что канал фотодетектора лавинного типа должен иметь коэффициент внутреннего размножения - М~10⁶ первичного заряда q_i=1,6·10^-19 Кл - при регистрации оптического кванта фотодетектором.

На сегодняшний день известны два типа детекторов, которые имеют временное разрешение <10^-9 с, малые размеры канала ~(10^-2-10^-4) мм² и коэффициент умножения М~10⁶:

- газонаполненные искровые счетчики, из которых наиболее приемлемым является 2-электродная камера /3/, один из электродов которой выполнен из диэлектрической пластины (RPC - resistive plate chamber) с сопротивлением в диапазоне ρ~10⁸÷10¹² Ом·см и размером виртуального элемента ~10^-4 см² с временным разрешением ~10^-10 с при использовании в лавинном режиме размножения. Такие искровые счетчики успешно применяются в экспериментах по физике высоких энергий для измерения энергии слабоионизирующих частиц (µ-мезоны и др.),

- полупроводниковые кремниевые фотодиоды (SiPM) /4/, работающие в гейгеровском режиме измерения с размером ~1 мм, временным разрешением по фронту импульса ~10^-10 с и умножением М~10⁶.

Предлагаемый детектор Черенкова для регистрации импульсов ионизирующего излучения субнаносекундного диапазона работает следующим образом. Из источника импульсного гамма-излучения (например, из ДТ-мишени инерциальной термоядерной установки) на (γ, е) - конвертор 1 падает параллельный поток гамма-квантов с энергией Е_γ=16,75 МэВ. Такие гамма-кванты рождаются в результате синтеза (dt)-ядер в ~10^-4 случаях относительно рождения ДТ-нейтронов с Е_n=14,1 МэВ; поэтому их число невелико и необходим детектор высокой чувствительности. В результате реакций рассеяния гамма-квантов и рождения пар (электрон-позитрон) из конвертора 1 вылетают быстрые электроны, в основном в направлении движения первичных гамма-квантов, которые вызывают в объеме газового радиатора 2 свечение Черенкова - поток оптических квантов - hν в направлении потока быстрых электронов. При давлении газа (SF₆+CO₂)~1,5 атм, пороговая энергия электронов для свечения излучения Черенкова равна ~10 МэВ, что позволяет эффективно отсечь все фоновые гаммакванты. Поворотное зеркало 3 меняет направление оптических квантов излучения Черенкова на угол 90°, что защищает фотодетектор лавинного типа 4 от прямого облучения его гамма-квантами источника. Возникшие в объеме радиатора 2 оптические кванты hν, после рассеяния на поворотном зеркале 3, падают на фотодетектор лавинного типа 4, выполненный, например, как это представлено в /3/. Фотодетектор может быть выполнен с площадью ~3 см², временным разрешением ~10^-10 с (при R=10 Ω) и коэффициентом умножения одного фотоэлектрона М=10⁶ и работает следующим образом: при падении на фотокатод 9 оптического кванта из него вылетает электрон с малой энергией (~ эВ), который попадает в сильное электрическое поле с Е~10⁵ В/см, создаваемое соответствующими напряжениями на сетке 7 и аноде 10, и при движении электрона со скоростью v~2·10⁷ см/с происходит лавинное нарастание его электрического заряда со скоростью α~10¹⁰ l/с до значения q~10^-13 Кл. При движении этого заряда со скоростью ~2×10⁷ см/с в промежутке d=0,03 см на электродах полосковой линии анода 10 наводится токовый сигнал i=(10^-13×2×l0⁷)/0,03~0,7×10^-4 А, достаточный его обработки в МВА 5. Из приведенной на фиг.4 расчетной импульсной характеристики фотодетектора 4 следует, что ее ширина на половине высоты составляет 1,2×10^-10 с.

Временное разрешение детектора определяется следующими независимыми составляющими:

собственное время сбора света в конструкции ДЧГ (фиг.3)	10 пс
дисперсией времени пролета в RPC (фиг.4)	50 пс
разбросом времени сбора сигналов на выходной кабель	~20 пс
погрешность времени срабатывания входного дискриминатора многоканального временного анализатора	~100 пс

В результате временное разрешение составляет (10²+50²+20²+100²)^0,5~115 пс.

Расчетная импульсная характеристика (фиг.4) сбора световых квантов излучения Черенкова в плоскости многоканального фотодетектора hν для конструкции детектора Черенкова при длине радиатора 100 см и диаметре ~10 см подтверждает достигаемый положительный эффект: временное разрешение детектора ~0,1 нс и существенное повышение чувствительности - в ~(50-60) раз благодаря сбору оптических квантов Черенкова практически со всего объема радиатора.

Таким образом, предлагаемый детектор Черенкова для регистрации импульсов ионизирующего излучения имеет чувствительность, превышающую чувствительность прототипа, ~50 раз при обеспечении высокого временного разрешения.

Литература

1. J.М.Mack, R.R.Berggren, S.E.Caldwell, S.C.Evans, J.R.Faulkner Jr., R.A.Lerche, J.A.Oertel, C.S.Young. Observation of high-energy deuterium-tritium fusion Gamma rays using gas Cherenkov detectors, NIM, A 513 (2003), 566-572.

2. Альбиков З.A., Даниленко К.H., Казачков Ю.П., Мельник O.B «Пороговый газовый Черенковский детектор», Патент РФ №2263331 от 22.06.2004 г. - прототип.

3. P.Fonte. "Applications and New Developments in RPS". IEEE Trans. On Nucl. Science, Vol.49, №. 3, June 2002.

4. A.Biland, I.Britvitch et al. "First detection of Cherenkov light from cosmic-particle induced air showers by Geiger-mode avalanche photodioes." Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. Vol.581, iss.1-2, pp.143-146, 2007.

1. Детектор Черенкова для регистрации импульсов гамма-излучения нано- и субнаносекундной длительности, содержащий (γ, е) конвертор, газовый радиатор, поворотное зеркало и фотодетектор, выходы которого через коаксиальные кабели соединены с многоканальным временным анализатором, отличающийся тем, что фотодетектор лавинного типа с временным разрешением ~10^-10 с, не зависящим от его фоточувствительной площади, установлен после поворотного зеркала, причем фоточувствительная площадь S_фл фотодетектора лавинного типа соответствует площади поперечного сечения радиатора S_рад, т.е. S_фл~S_рад.

2. Детектор Черенкова по п.1, отличающийся тем, что фотодетектор лавинного типа выполнен в виде газонаполненного искрового счетчика, содержащего в газовом объеме газовую смесь (С₂Н₂F₄+10% SF₆), со стороны источника света - полупрозрачную сетку, диэлектрическую пластину из стекла, на которую нанесен фотокатод (CsJ), и металлический анод.