Гамма-резонансный затвор

 

Союз Советскнх

Соцналмстическик

Республик

ОП ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТЕПЬСТВУ

««772383 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (5I)M. Кл. (22) Заявлено 01.03.79 (21) 2731533/18-25 с присоединением заявки J% 01 Т 1/16 (01 Т 7/00

Гооудеротмниый комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 07.12.81. Бюллетень № 45 .Дата опубликования описания 07.12.81 по делам иаобретеиий и открытий (53) УЙ К 621.387..424 (088.8) (72) Автор изобретения

К. В. Сербинов (71) Заявитель (54) ГАММА-РЕЗОНАНСНЫИ ЗАТВОР 1 Р д, .".;, г г

Изобретение относится к экспериметапьной физике и может быть использовано при исследованиях в ядерной физике, физике твердого тела, а также в других научно- гехнических областях, в которых используется гамма-резонансная спектроскопия (эффект Мессбауэра).

Известны пьезоэлектрические вибраторы дпя модуляции источника гамма-лучей, выполненного в виде тонкой радиоактивной фольги, имеюшей необходимую акустическую связь с одной иэ сторон пьезо;.эпектрического элемента 1 .

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является затвор дпя резонансных гамма-лучей магнитоэлектрического типа, содержаший резонансный поглоти тель в виде металлической фольги и вкпю= ченный тракт регистрации с использованием цепей .синхронизации Г21 °

Необходимая величина относительной резонансной скорости источник-поглотитель достигается эа счет пондермоторных . (механических) сил, воэникаюших . при пропусканин тока через фольгу, помешенную между полюсами постоянного магнита, В качестве черного (мессбауэровского) поглотитепя резонансных гамма-лучей используется фольга (топшиной

5 мкм) из нержавеющей стали, обогашен« ной массбауэровскими ядрами железа (1 5о/ 5 7 C e. )

Это устройство имеет сравнительно большие габариты и вес вспомогатель10 ных элементов затвора, в частности магнита, что ограничивает эксплуатационные возможности магнитоэпектрическо го затвора и затрудняет его испопьзова15 ние (путем непосредственного раэмешения внутри криостата) в широком диапазоне температур; неблагоприятные воэдей» ствия на исследуемый образец. магнитных полей рассеяния со стороны магнита затвора, а также невозможность .прямого использования. резонансных поглотителей, не обладающих хорошей эпектропроводнос . тью,. например двуокиси олова и гематита.

Такие поглотители можно, видимо, нано772383

2Î сить на проводящие и достаточно прозрачные дпя исследуемого гамма излучения подложки, но это можно ухудшить параметры затвора и температурный режим резонансного погпотптепя. Кроме того, определенные трудности возникают при использовании коротких по дпитепьности импульсов тока (=10 с), необходимых дпя срабатывания затвора, К неблагоприятным факторам спедует отнести интегрирующее впияние индуктивности фольги и ее токоподводящих элементов (держателей и т.п.) на проходящие через них импульсы тока, длительность которых /, и ими должна быть прибпизительно на порядок короче времени непрозрачности затвора: -Я

7 > 10 с при пиковом значении тока J /,и,с5 А и напряженности магнитного поля затвора 5 кЭ, Дапее, поскольку в у-"„„. скважкосуь импульсов еока Ис спе

"имп

Т период следования разнополярных токовых ил/пульсов, то при с 10 фронты этих .ил/пупьсов оказываются настолько короткими, что гпубчна проникновения тока в 2 фольгу (скин-спой) становится меньше или, в пучшем случае, соизмеряемой с топшиной фопьги. При использовании же резонансных поглотптепей из магнитного материала с достаточно большой начальной магнитной проницаемостью (), нацример фольги из чистого железа (жепеэо Армко,м @ 200) скин-слой составляет лишь небольшую часть топшины фольги, используемой в прототипе, Это может

3 нарушить работу затвора и, во всяком спучае, изменит его температурный режим. Необходимо отметить, что под ве1пучиной периода Т спедует понимать интервап между соседними, разнопонярными, 4 а не одноппярными импупьсами, поскольку тепловой эффект тока в проводниках имеет квадратный характер, Поэтому при

g (10, среднее значение тока и мо n11

С/ жет достигнуть вепичины, при которой бу» дет превышена допустимая люшность рас4 сеяния в фольге. Следует отметить, что из трех механизмов теппопередачи наибольшее значение в данном случае ил/еет конвекция, а теплопроводность вдопь фольги (отвод тепла в держатели) и изпучение с ее поверхности играют второстепенную роль. Поэтому при с/, " 5 и недостаточной конвекции, в частности, при помещении фольги в вакуум, может произойти разрушение резонансного погпотитепя затвора.

llenb изобретения — достижение компактности затвора, улучшение его эксплу4 атационных характеристик и упрощение конструкции., Дпя достижения поставленной цепи гамма-резонансный затвор, содержаший резонансный поглотитель и цепь синхронизации затвора с трактом регистрации выполнен в виде пьезоэлектрического эпемента со сквозным отверстием, закрытым поглотителем, причем на поверхности пьезоэлектрического элемента нанесены возбуждающие электроды, соединенные с гене атором переменного напряжения, который через цепи синхронизации связан также с тРактом регистрации.

На фиг. 1 показан схематический разрез гамма-резонансного затвора, гаммаизпучение направлено вдоль оси 0-0 на фиг. 2 — вид на затвор со стороны источника гамма-излучения, штрих-пунктирной пинией очерчен поглотитель квад./ ратной формы.

Гамма-резонансный затвор содержит пьезоэлектрический элемент 1 с нанесен» ными на его торцы (стенки, стороны) воэ-. буждаюшими электродами 2 и 3 и сквозными отверстиями 4. Это отверстие закрыто резонансным поглотитепем 5, имеющим надежный акустический контакт с электродом 2 пьезоэлемента 1 с помошью, например, акустическойисвязки 6.

Эпектроды 2 и 3 с помощью электрических контактов 7 соединены с генератором 8 переменного напряжения, который дпя получения жесткой синхронизации всех эпектрических цепей, связанных с затвором, соединен также с трактом регистрации (на чертеже не показан), Пьезоэпемент 1 установлен на малогабаритном держатепе (на чертеже не показан) таким образом, чтобы задняя стенка пье зоэлемента с электродом 3 была закреплена неподвижно, вплотную примыкая к плоскости 9 эаземпенной пластины держателя. При этом они могут быть прижаты не по всей поверхности, а с сохра/ нением воздушной подушки 10 между ны« ми, На чертеже пьезоэлемент. показан в виде пластины, но в зависимости от конкретных условий работы он может быть выпопнен любой формы: в виде дис ка, трубки и т.д.

Затвор работает спедуюшим образом.

При подаче возбуждающего напряжения на эпектроды 2 и 3 пьезоэлемента 1, его незакрепленная стенка с электродом

2 совершает поршнеобразные, возвратно поступательные колебания по закону, оп» редепяемому формой . возбуждаюшего напряжения. Резонансный поглотитепь 5, имеюший надежный акустический контакт с этим электродом и, соответственно, со стенкой пьезоэлемента 1, на которую тот нанесен (напылением, вжиганием и т,п.), колеблется с той же скоростью, что и электрод 2. Если эта скорость отлична от резонансной, то испускаемые источником гамма-кванты проходят через затвор вдоль оси 0-0 (фиг. 1) к исследуемому образцу практически без погдошения. B сцучае же, когда относительная скорость источник-поглотитель (затвор) явпяется резонансной, то выбранная пиния, спектра будет поглошена резонансным по- глотителем затвора. Выбор запираемой с помошью затвора линии в многопинейном мессбауэровском спектре определяется формой.и амппитудой возбуждающего напряжения.

Поскольку пинии спектра не явпяются многоэнергетическими и имеют поренцовский характер распределения (естественную ширину) и, соответственно, некоторую дисперсию мессбауэровских скоростей (источник-погпотитепь), то дпя полного запирания реальной пинии спектра при работе с одноканальными анаппзаторами в режиме постоянной скорости необходимо подбирать соответствуюшую форму возбуждаюшего напряжения (Ug z ) путем например, суперпозиции (напожения) напряжений различной формы, Анапогичную задачу в прототипе при баппистическом возбуждении движения фольги токовыми импульсами решить подобным, сравнительно простым способом затруднитепьно.

Дпя запирания затвором отдельных участков спектра (юинии) можно ппавно или ступенчато менять амплитуду возбуждаюшего напряжения U < в пределах, обеспечиваюших прохождение затвором заданного участка спектра ипи одиночной линии (ее лоренцовой дисперсии). Форма напряжения возбуждения подбирается такой, чтобы в течение попупериода этого напряжения (+- "„ „, -,„(10 -10 )с) относительная скорость поглотитепя (затвора) была постоянной (5 - -„д,>gqqcq, Для пьезоэлемента, выпопненного пз пье-, зокерамики, это напряжение (U ) имеет треугольную форму.

Можно также применить амплитудную модуляцию напряжения О „, в частности по линейному закону, ограничивая ее гпубину и, соответственно, вепичину измерения относительной скорости погпотнтеля пределами одной ипи нескольких соседних линий. Период модупируюших колебаний

Тл может во много раз превышать период Т „копебаний возбуждающего напряжения при жесткой синхронизации меж5 ду этими копебаниями н трактом регистрации. Простейшим способом осушествления подобной пинейной модуляции яв ляется использование автоматической системы на базе шагового искателя с регупируемыми веди инами шага (vie „) и времени экспозиции (й к5,, ) в каждой точке измерений, а также меняюшимися начальной и конечной точками отсчета, т.е. пределами изменения амппитуды 0,„

15 и, соответственно, относитепьпнх скоростеи б,,с,, д. При необходимости можно выйти нз режима автоматического сканирования вдоль спектра и производить набор статистики в какой-тибо выбранной

И, * фиксированной точке, Такая система измерений позволяет рассмотреть действие затвора на реальную ш",нию спектра по ее отдельным энергетическим участкам, И причел1, в частном случае величина ша.

ra дU может быть взята рав-.юй шкряб,н. не реальной линии — при усповии плавной регулировки вени и ны возбуждаошего напряжечия =- ппедеп.х энерго=.-:-тес юй попуширины нинин (T .e, щир, н-;.?, т.-;:,-, на

30 половине ее высоты). Такая р-:гупировка позвопяет плавно настроиться на пик резонансного погпошения (Г ) выбранной линии спектра, Для этпх же цепей в качестве возбуж55 даюшего напряже«ця могут быть использованы копебант ч простейшей, си«усо«дапыюй формы ((! а; () Прп этом тракт регистрации открывается лишь на время действия стробпруюшего (а в «а— О шем случае отпираг«1его) и. ц1уньса с и о =(10 -10 )c, Врел«энная =адержка этого импульса выбирается постоянной и равной Т,,= — 5 Й т.е. рабочий участок приходится на сеоецину соот

45, ветствующего попупериода, также при жесткой синхронизации стробируюшего им= пульса, напряжения 0;.„(и тракта регистрации, Период возбуждаюшего напря женпя Т, в этол: сиучае выбирается

5О таким, чтобы непиней .-:ость скорости двп жения резонансного погпотитеня оставалась в допустимых пределах (бисп — погл— C 055"„) т.е. практически Опредепяется со отношением i - .- <01 " — Относи

„ ч (1 М(ы) и,H "QTS55 тельно умень пения допи с,„в этом гы ражении, например, при уменьшении час тоты 5 g z, напряжения U g > ) хотя и снижается относительная нелинейность рабочего участка скорбсти поглотителя, но

7 772 приводит при этом к собственному эффекту временной коллимации. Это вызвано тем, что источник гамма-излучения прак-тически использу ется лишь в течение времени, равного - от общего времени

TS нЮэкпозиции, а это требует применения сильного источника излучения или удлиняет время эксперимента. При использовании синусоидального 0 „() прохождение лоренцовского распределителя линии или нескольких соседних линий многолинейного спектра может осушествляться ступеньками или плавно, т.е. аналогично описанному выше случаю использования колебаний специальной, например, треугольной формы.

Применение синусоидального напряжения представляет интерес еше и тем, что работая на частоте электромеханического резонанса пьезоэлемента, можно сушественно (на величину добротности системы

3. ) снизить величину возбуждающего напряжения U <(>, Можно применять здесь также метод двойных и тройных совпадений (в частнос-: ти, при исследованиях с мессбауэровскими ядрами железа Ге ), используя пере57 менную (изменяемую) задержку во времени регистрируемых и вспомогательных сигналов и выбирая величину периодов возбуждающих напряжений синусоидальной и других. форм большую, в сравнении с временем срабатывания (закрывания) затвора, т.еР Т „» igg g. Используя также соответствующую схему распада, например Со, и соответствуюшие цепи задержки по типу задержанных совпадений, а также блок формирования стробируюших (отпираюших) сигналов, запускаемый импульсом с выхода детектора излучений (совпадаюшим с началом акта распада), можно получить прямую корреляцию между отдельным актом распада и началом срабатывания затвора, с Т (10 -10 ) с.

Дпя получения прочных, стабильных и долговечных акустической и механической связей резонансного поглотителя с пьезоэлементом (его электродом) сквозное отверстие в нем для прохождения гаммалучей заполняется временным наполнителем-подложкой. На нее, как и на прилегаюший к отверстию участок пьезоэлемента (или на нанесенный ранее возбуждМощий электрод в частности использования продольного пьезоэффекта), наносится напы лением или иным способом слой резонансного поглотителя необходимой толшины.

После этого временная подложка удаляется с помощью соответствуюшего раствори383

8 теля> химически нейтрального к матери алу резонансного поглотителя и других элементов затвора. Временная подложканаполнитель выбирается в зависимости от

g типа резонансного поглотителя, диапазо» на его рабочих температур, требуемой прочности образуемой пленки, отсутствия химического взаимодействия с наносимой на подложку пленкой поглотителя и дру16 гих факторов и может быть выполнена из целого ряда веществ. Это позволяет полу» чить более надежный акустическии контакт и существенно большое число циклов охлаждение-нагревание (при использова1Ю нии гамма-резонансного затвора в кристалле), чем в случае применения между поглотителем и пьезоэлементом акустической связки: глипталевого клея, силико-. нового масла и т.п.

26 Для увеличения механической прочности полученные пленки резонансного поглотителя после нанесения их на пьезоэлемент могут быть подвергнуты соответствующей термообработке в зависимости от типов поглотителя, временной подложки и материала пьезоэлемента. В случае, если материал пьезоэлемента не является пьезоэлектриком в неполяриаованной фазе (пьезокерамика), а максимальные тем30 пературы при такой термообработке преl вышают точку Кюри, то пьезоэлемент вновь поляризуется по принятой для данной сегнетоэлектрического материала методике (с последующим искусственным старением пьезоэлектрических парамет» ров) .

В качестве источника возбуждающего напряжения используется генератор переменного напряжения соответствующей формы, Он должен иметь низкий выходной импеданс, позволяюший работать на емкостную нагрузку в области высоких частот. При необходимости можно использовать генератор с обычным сравнитель-. но высокоомным выходом, применяя для согласования с нагрузкой соответствующий повторитель, например эмиттерный повторитель на составных полупроводниковых триодах, или иное согласующее усту) ройство.

Для одновременного запирания нескольких линий многолинейного спектра или нескольких отдельных энергетических участков одной линии можно использовать несколько последовательно расположенных затворов, пьезоэлементы которых возбуждаются различными по амплитуде напряжениями одной и той же частоты.

При этом используется обший генератор, 10 ти при проведении фундаментальных и прикладных исследований, используемых гамма-резонансную спектроскопию.

Формула изобретения

Гамма-резонансный затвор, содержащий резонансный поглотитепь и цепь синхронизации затвора с Tp&KToM pBMGTp8 ции, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью упрощения конструкции и упучшения его эксплуатационных характеристик, он выполнен в виде пьезоэлектрического

15 элемента со сквозным отверстием, закрытым поглотителем, причем на поверхности пьезоэлектрического элемента нанесены возбуждающие электроды, соединенные с генератором переменного напряжения, который через цепи синхронизации связан с трактсм регистрации.

Источники информации, 2% принятые во внимание при экспертизе

1. Применение физической акустики в квантовой физике и физике твердого тепа.

Под ред. У. Мезона. т, 4, часть А, Мир", 30 с. 107-111, 133.

2. "ПТЭ", М 4, 1978, с. 82 (прототип).

9 772383 аттюатор (делитель) со ступенчатой и плавной регулировкой напряжения и несколько по числу используемых гаммарезонансных затворов, повторителей или других согласующих устройств, 3

Дпя уменьшения коллимации изпучения гамма-источника пьезоэпементном затворе, имеющим относительно малое сквозное отверстие, в пьезоэлементе может быть выполнено несколько небольших отверстий любой формы и расположения: вдоль линии в пределах круга, в виде узких прямоугольных щелей, отрезков кольцевых щелей и т.п., закрытых резонансным поглотитепем. При этом следует учитывать расстояние от затвора до исследуемого образца и телесный угол, под которым образец облучается источником.

Это позволит увеличить попезный эффект и уменьшить фон, поскольку снизится возможность гамма-квантов и детектор излучения, минуя образец

Определенным удобством является и возможность быстрой замены как всего затвора с держателем, так и его пьезоэлемента; при необходимости можно изменить тип резонансного поглотителя, форму и коплимируюший эффект сквозных отверстий в пьезоэлементе затвора и т.п.

Предлагаемое изобретение позволяет расширить экспериментапьные возможнос772383

Составитель Б, Рахманов

Редактор Е, Яковчик Техред М.Надь Корректор В. Бутяга

Заказ 10659/2 Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., -д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, уп. Проектная, 4