ФОЛЬГОВЫЙ ЗАРЯДОВЫЙ СПЕКТРОГРАФ
FOIL CHARGED SPECTROGRAPH

Изобретение относится к области дозиметрии и спектрометрии импульсных ионизирующих излучений ускорителей, в частности импульсного электронного и тормозного излучений. Изобретение может быть использовано для определения спектрально-энергетических характеристик электронного излучения сильноточных импульсных ускорителей.
Известно устройство (патент РФ 2281532) для комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик импульсного электронного и тормозного излучения ускорителя, содержащее магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов, мишень-конвертер для преобразования электронного излучения в тормозное излучение, преобразователь мощности экспозиционной дозы тормозного излучения, при этом мишень выполнена в виде двух слоев, устройство дополнительно содержит цилиндрический корпус, в котором расположен магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов, снабженный экраном с входным и выходным окнами для защиты пучка электронов от внешних электрических полей, входное окно экрана перекрыто первым слоем мишени, выполненным из легкоатомного металла, а его выходное окно перекрыто теплоизолированным от упомянутого экрана вторым слоем мишени, выполненным из тяжелоатомного металла со встроенным преобразователем поглощенной энергии терморезисторного или термопарного типа, причем слои мишени и экран электрически соединены между собой, при этом магнитоиндукционный преобразователь тока, преобразователь поглощенной энергии в мишени и преобразователь мощности экспозиционной дозы соединены посредством линий связи с соответствующими регистраторами и электронно-вычислительной машиной, положение первого слоя мишени, являющегося анодом, образует ускоряющий промежуток ускорителя, а преобразователь мощности экспозиционной дозы располагается в формируемой ускорителем изодозовой плоскости облучения образца в поле тормозного излучения.
Недостатком данного устройства является сложность и косвенный характер измерений.
э
ф
э
фi
фi
n
n
Известен способ (патент РФ №884818), в котором измеряют распределение поглощенной дозы гамма-излучения у поверхности раздела двух сред с различными атомными номерами, а после математической обработки дозиметрической кривой определяют спектр вторичных электронов, который приравнивают к осредненному спектру гамма-излучения, при этом измеряют по крайней мере две дозиметрические кривые у границы раздела двух поглотителей, одним из которых являются металлические фольги с разными толщинами и атомными номерами, причем толщину первой из них выбирают равной экстраполированному пробегу электронов в фольге R (Е, Z) со средней энергией Е из всего спектра вторичных электронов, а последующих - в пределах (0-0,5) R (Е, Z), где Z = (2-20) Z - атомный номер i-той фольги и Z - атомный номер поглотителя. Недостатком данного способа является косвенный характер измерений, кроме того, при поглощении часть заряженных частиц испытывает обратное отражение и переизлучение с поверхности фольг, что значительно снижает точность измерений.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение способа измерения распределения электронов по энергиям, повышение точности за счет реализации прямых измерений.
-6
-7
Указанный технический результат достигается тем, что предложен фольговый зарядовый спектрограф, содержащий пакет из N металлических фольг, общая толщина которых подбирается из условия равенства экстраполированному пробегу электронов d максимальной энергии электронов Е<511 кэВ, при этом фольги расположены параллельно друг другу в вакуумной камере при значении давления Р = 10÷10 Па, каждая фольга подсоединена к отдельной емкости, накапливающей поглощенный данной фольгой заряд, имеющей отдельный разъем для снятия зарядовых характеристик, и полностью покрыта диэлектрической пленкой толщиной не более 2 мкм.
Спектрограф работает следующим образом. После генерации пучок заряженных частиц (электронов) проходит последовательно через каждую фольгу из пакета (набора N фольг) и заряжает весь набор конденсаторов, соединенных последовательно с каждой из фольг. При этом на первой фольге остаются электроны с минимальной энергией, на второй фольге с большей энергией и, наконец, на N-той фольге электроны с максимальной энергией. Общая толщина N фольг выбирается из условия полного поглощения заряженных частиц (электронов) с максимальной энергией. Для того чтобы не происходило переотражение электронов и не вносило искажение в их распределение по энергиям, каждую фольгу покрывают слоем диэлектрика (полимера) такой толщины, чтобы работа выхода для поглощенных электронов была значительно больше, чем средняя энергия случайных, переотраженных электронов. Последовательно, с помощью переключателя с необходимым интервалом времени примерно 10-15 сек, каждый из конденсаторов подсоединяется к баллистическому гальванометру, который определяет заряд каждого конденсатора по углу отклонения стрелки предварительно откалиброванного по эталонному источнику гальванометра.
Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что в процессе прохождения электронов через набор металлических фольг, покрытых диэлектрическим слоем (например, слоем нитроцеллюлозы толщиной до 2 мкм), быстрые электроны основного спектра проходят через диэлектрический слой практически без потерь и поглощаются только на фольге определенного номера, а низкоэнергетические вторичные электроны, энергия которых меньше работы выхода из диэлектрика, не переизлучаются, оставаясь в данной фольге, и не влияют на точность измерений. Так как каждая фольга соединена с конденсатором постоянной ёмкости, то ее потенциал чрезвычайно мал и относительная погрешность измерения находится в пределах 1-2 %. В то время как аналогичные фольговые спектрографы, не покрытые слоем диэлектрика, дают относительную погрешность измерения в пределах 20-30%. Таким образом, с заданной степени точности (варьированием толщины и количества фольг) получается распределение электронов по глубине образца. Из данного распределения, например, в области низких энергий до 511 кэВ по известным зависимостям ионизационных потерь электронов от глубины проникновения в материал можно получать распределение электронов по энергиям.
-6
-7
14
2
14
2
-7
14
2
Пример 1. Изготовлен спектрограф, содержащий пакет из 15 алюминиевых фольг толщиной 1 мкм, расположенных параллельно друг другу в вакуумной камере на расстоянии 1 мм друг от друга, при значении давления Р=10÷10 Па в вакуумной камере и энергетическом спектре электронов, излучаемых генератором импульсных напряжений ГИН -400 в интервале Е=10÷300 кэВ, плотность потока электронов Ф=1·10 эл/см, при этом каждая фольга была подсоединена к отдельному конденсатору постоянной ёмкости 10 МКФ, имеющему отдельный разъем для соединения с баллистическим гальванометром M1510A с пределом измерений 100 мкА, при этом каждая фольга была покрыта слоем нитроцеллюлозы толщиной 1 мкм методом окунания в раствор нитролака. На фиг. 1 изображен акустический отклик давления σ(Па) 1, возбуждаемый в данном образце при облучении образца алюминия потоком электронов заданной плотности Ф=1·10 эл/см. Видно, что при этом глубина d экстраполированного пробега электронов в алюминии не превышает 15 мкм. На фиг. 2 изображена полученная экспериментальная зависимость 1 между 15 значениями заряда Q(Кл·10), приходящегося на каждую из 15 алюминиевых фольг при данной плотности потока электронов. Ф=1·10 эл/см.
-6
-7
14
2
14
2
-7
14
2
Пример 2. Изготовлен спектрограф, содержащий пакет из 15 алюминиевых фольг толщиной 1 мкм, расположенных параллельно друг другу в вакуумной камере на расстоянии 1 мм друг от друга, при значении давления Р=10÷10 Па в вакуумной камере и энергетическом спектре электронов, излучаемых генератором импульсных напряжений ГИН -400 в интервале Е=10÷300 кэВ, плотность потока электронов Ф=0,77·10эл/см , при этом каждая фольга была подсоединена к отдельному конденсатору постоянной ёмкости 10 МКФ, имеющему отдельный разъем для соединения с баллистическим гальванометром M1510A с пределом измерений 100 мкА, при этом каждая фольга была покрыта слоем нитроцеллюлозы толщиной 1,5 мкм методом окунания в раствор нитролака. На фиг. 1 изображен акустический отклик σ(Па) 2, возбуждаемый в данном образце при облучении образца алюминия потоком электронов заданной плотности Ф=0,77·10 эл/см. При этом также глубина d экстраполированного пробега электронов в алюминии не превышает 15 мкм. На фиг. 2 изображена полученная экспериментальная зависимость 2 между 15 значениями заряда Q(Кл·10), приходящегося на каждую из 15 алюминиевых фольг при данной плотности потока электронов Ф=0,77·10эл/см.
-6
-7
14
2
14
2
-7
14
2
Пример 3. Изготовлен спектрограф, содержащий пакет из 15 алюминиевых фольг толщиной 1 мкм, расположенных параллельно друг другу в вакуумной камере на расстоянии 1 мм друг от друга, при значении давления Р=10÷10 Па в вакуумной камере и энергетическом спектре электронов, излучаемых генератором импульсных напряжений ГИН -400 в интервале Е=10÷300 кэВ, плотность потока электронов Ф=0,5·10эл/см, при этом каждая фольга была подсоединена к отдельному конденсатору постоянной ёмкости 10 МКФ, имеющему отдельный разъем для соединения с баллистическим гальванометром M1510A с пределом измерений 100 мкА, каждая фольга была покрыта слоем нитроцеллюлозы толщиной 2 мкм методом окунания в раствор нитролака. На фиг. 1 изображен акустический отклик σ(Па) 3, возбуждаемый в данном образце при облучении образца алюминия потоком электронов заданной плотности Ф=0,5·10 эл/см. Глубина d экстраполированного пробега электронов в алюминии не превышает 15 мкм. На фиг. 2 изображена полученная экспериментальная зависимость 3 между 15 значениями заряда Q(Кл·10), приходящегося на каждую из 15 алюминиевых фольг (толщиной d) при данной плотности потока электронов Ф=0,5·10 эл/см.