ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Изобретение относится к приборам для определения величины интенсивности, плотности и энергии излучения или частиц, а конкретно к ионизационным камерам и может быть применено в практике научно-технических исследований и физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц.
Известна двухсекционная ионизационная камера (ДИК) с воздушным наполнением для измерения в режиме реального времени абсолютного числа заряженных частиц (протонов) в пучках [1]. ДИК содержит два высоковольтных электрода, два сигнальных электрода, расположенные между высоковольтными электродами, и два заземленных электрода, расположенные в непосредственной близости перед сигнальными электродами, с отверстиями по центру для проводки пучка. Расстояния между высоковольтным и сигнальным электродами в каждой секции ДИК различны по величине.
Измерение абсолютной величины потока протонов выполняется по алгоритму на основании одновременно измеренных напряжений на конденсаторах, включенных в цепи двух сигнальных электродов. Однако в такой конструкции ДИК пучок протонов проходит через все электроды. Поэтому в некоторых случаях, например, при мониторировании пучков частиц с низкими энергиями такая конструкция ДИК может оказаться неприемлемой из-за уширения пучка, обусловленного кулоновским рассеянием первичных частиц на ядрах атомов вещества электродов.
Недостатком этой камеры является также необходимость учета вклада в ионизацию β-электронов, выбиваемых первичными частицами из материала электродов. Кроме того, в экспериментальных исследованиях часто желательно иметь информацию о распределении плотности потока в поперечном сечении пучка, которую не дает эта камера.
Известен прибор для измерения распределения плотности потока в поперечном сечении пучка - пропорциональная камера. Электроды в камере выполнены в виде натянутых внутри взаимно перпендикулярных проволочек, образующих координатную сетку, с которых снимается информация о плотности потока частиц [2].
Однако этот прибор не дает информацию о величине потока и имеет тот же недостаток, что и первый аналог. Связано это с тем, что поток частиц пересекает не только электроды, но и входные окна пропорциональной камеры, что вызывает рассеяние частиц от первоначального их направления. Также недостатком камеры является ее прокачка
инертным газом под определенным давлением, контроль чистоты газа и высокого напряжения, прикладываемого к камере.
Наиболее близкой к заявляемой ионизационной камере является ионизационная камера (ИК) с воздушным наполнением [3], совместная работа которой с пропорциональной камерой позволяет получить абсолютное значение заряженных частиц в потоке.
ИК содержит три сигнальных электрода, один заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальные электроды, три высоковольтных электрода, причем высоковольтные электроды параллельны сигнальным электродам и расположены на разных расстояниях от соответствующих сигнальных электродов. Поток заряженных частиц проходит между сигнальными и высоковольтными электродами, не пересекая их. Образованные заряженными частицами пары ионов, двигаясь в электрическом поле ИК, индуцируют токи во внешней цепи, которыми заряжаются конденсаторы, подключенные к сигнальным электродам. Величины напряжений на конденсаторах зависят как от числа частиц в потоке, так и от рекомбинационных потерь, определяемые напряженностью электрического поля в области каждого сигнального электрода. Измерив одновременно напряжения на конденсаторах, можно учесть эти потери. Определив ширину пучка с помощью пропорциональной камеры, величина которой входит в алгоритм вычисления величины потока, можно таким образом определить абсолютное значение числа заряженных частиц в потоке.
Недостатком прототипа является то, что для получения абсолютной величины потока заряженных частиц необходимо применять дополнительный прибор (пропорциональную камеру) и выводить его с пучка после выполнения трассировки.
Задачей заявляемого устройства является создание универсального прибора, обеспечивающего измерения абсолютной величины потока и распределение его плотности в поперечном сечении пучка.
Поставленная задача достигается тем, что в известной ионизационной камере, включающей три сигнальных электрода, один заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальные электроды, три высоковольтных электрода, причем высоковольтные электроды параллельны сигнальным электродам и расположены на разных расстояниях от соответствующих сигнальных электродов, новым является то, что дополнительно введен еще один заземленный электрод, а три высоковольтных электрода, три сигнальных электрода и два заземленных электрода сгруппированы в две секции: одна секция образована одним высоковольтным электродом, одним сигнальным электродом и одним заземленным электродом, вторая секция образована двумя высоковольтными электродами, двумя сигнальными электродами и одним заземленным электродом, причем секции развернуты
относительно друг друга на 90° по оси пучка заряженных частиц, и один сигнальный электрод в каждой секции выполнен в виде параллельных полосок, разделенных зазорами, а третий сигнальный электрод во второй секции выполнен сплошным.
Два сигнальных электрода, состоящие из полосок (полосковые электроды) и взаимно повернутые на 90° относительно оси Z, создают взаимно перпендикулярные силовые линии электрических полей по осям Х и Y. Ионы, перемещаясь по силовым линиям, число которых соответствует величине прошедших заряженных частиц в области каждой из полосок, позволяют построить распределение плотности потока в поперечном сечении пучка. Различные по величине расстояния между тремя высоковольтными и тремя сигнальными электродами позволяют вычислить абсолютное значение числа частиц как во всем пучке, так и в отдельных областях его поперечного сечения.
1
2
3
На фигуре 1 представлена заявляемая ионизационная камера, где 1 - полосковый сигнальный электрод, 4 - высоковольтный электрод и 7 - заземленный электрод в плоскости XZ, образующие первую секцию (А); 2 - полосковый сигнальный электрод, 5 - высоковольтный электрод, 8 - заземленный электрод, 3 - сплошной сигнальный электрод и 6 - высоковольтный электрод в плоскости YZ, образующие вторую секцию (Б); 9, 10 и 11 -электронные блоки; 12 - электронный блок обработки информации; d, d, d - расстояния между высоковольтными электродами 4, 5, 6 и сигнальными электродами 1, 2, 3, соответственно; L - длина сигнального электрода; а - ширина полосок сигнальных электродов.
1
2
3
1
2
3
1
2
0
На фигуре 2 представлены зависимости измеренных напряжений от величины межэлектродного расстояния, где 13 - усредненное распределение плотности потока частиц по осям Х и Y; 14 - средняя ширина пучка частиц по осям Х и Y; 15 - кривая зависимости измеренных напряжений V, V, V от величин расстояний d, d, d между высоковольтными электродами 4, 5, 6 и сигнальными электродами 1, 2, 3, (V и V - суммарные значения напряжений, измеренных на полосках соответствующих сигнальных электродов 1 и 2); 16 - кривая, построенная на основании зависимости 15; 17 - касательная, построенная к зависимости 16 в точке d=0 (точке, соответствующей величине межэлектродного расстояния, равной нулю); V* - напряжение, соответствующее пересечению кривой 15 с осью абсцисс; V - напряжение, соответствующее средней величине ширины пучка D по осям Х и Y распределения плотности потока 13.
На фигуре 3 представлена координатная сетка, образованная силовыми линиями 18 электрических полей между полосковыми электродами 1, 2 и высоковольтными электродами 4, 5, соответственно, где 19 и 20 - средняя ширина пучка заряженных частиц по оси Х и Y, соответственно; 21 - ширина пучка на уровне 6σ, где σ - стандартное отклонение нормального распределения;
На фигуре 4 представлены измеренные распределения плотностей потока в поперечном сечении пучка по осям Х и Y, где 22 - распределение плотности потока частиц по оси X; 23 - распределение плотности потока частиц по оси Y; 24 - распределение плотности потока частиц по оси Х при смещении ионизационной камеры на 1 см относительно оси пучка Z.
На фигуре 5 представлена экспериментальная установка для проверки принципа работы заявляемой ионизационной камеры, где 25 - пропорциональная камера, 26 - исследуемая заявляемая ионизационная камера, 27 - двухсекционная ионизационная камера (аналог 1), 28 - полупроводниковый лазер.
Устройство работает следующим образом
Заземленные электроды 7 и 8, охватывающие по периметру сигнальные электроды 1, 2 и 3, предназначены для формирования границ однородного электрического поля в пространстве между высоковольтными электродами 4, 5 и 6 и сигнальными электродами (фигура 1). Два полосковых сигнальных электрода 1 и 2 состоят из k одинаковых по ширине полосок, причем зазоры между полосками значительно меньше не только межэлектродных расстояний, но и ширины полосок. Такая конструкция электродов позволила однозначно определить область измеряемого заряда, образованного первичными частицами в процессе ионизации воздуха над каждой полоской электродов.
Полосковый сигнальный электрод 1 с охватывающим его по периметру заземленным электродом 7 и высоковольтный электрод 4 (секция А) расположены отдельно от полоскового сигнального электрода 2, сплошного сигнального электрода 3, заземленного электрода 8 и высоковольтных электродов 5 и 6 (секция Б). Обе секции повернуты по оси Z относительно друг друга на 90°.
Электроды заявляемой ионизационной камеры располагаются относительно оси пучка заряженных частиц так, что пучок проходит между ними, не пересекая их. В процессе ионизации воздуха под действием заряженных частиц образуются пары положительно и отрицательно заряженных ионов. Ионы, двигаясь по силовым линиям электрического поля между высоковольтными электродами 4, 5, 6 и сигнальными электродами 1, 2, 3, соответственно, индуцируют токи во внешней цепи, которыми заряжаются конденсаторы С, подключенные к соответствующим сигнальным электродам и находящиеся в электронных блоках 9, 10 и 11. В идеальном случае напряжение V на конденсаторе равно:
где Q - полный собираемый заряд на сигнальном электроде, величина которого определяется числом прошедших через ионизационную камеру заряженных частиц N; q - заряд электрона; n - число пар ионов, равное
p
где L - длина стороны каждого сигнального электрода вдоль пучка; dE/dx - удельные ионизационные потери заряженной частицы; ω - энергия, затрачиваемая заряженной частицей на образование одной пары ионов.
Число заряженных частиц, прошедших в области каждого сигнального электрода ионизационной камеры, определяется:
Величина измеряемого напряжения на конденсаторе зависит не только от числа частиц прошедших через ионизационную камеру, но и от потерь ионов в результате их рекомбинации. Эти потери можно учесть, измерив зависимость изменения напряжения от величины межэлектродного расстояния.
1
2
3
По результатам вычислений суммарных величин напряжений V и V с полосковых сигнальных электродов 1 и 2, а также напряжения V со сплошного сигнального электрода 3 выполняется операция построения зависимости 15 (фигура 2).
Исследования показали, что данную зависимость, когда электроды расположены вне зоны пучка, можно описать экспоненциальной функцией:
где V* - постоянный коэффициент; d - величина межэлектродного расстояния; Т - постоянная экспоненциальной функции.
Когда сигнальные электроды расположены в зоне пучка (межэлектродные расстояния меньше поперечного сечения пучка), изменение напряжения на конденсаторе сопровождается двумя процессами - изменением числа пар ионов за счет изменения межэлектродного расстояния и потерями их за счет рекомбинаций. Так как процесс рекомбинации одинаков как для случая нахождения электрода в зоне пучка, так и вне зоны пучка, и зависит только от напряженности электрического поля, величину напряжения в зоне пучка можно представить функцией v"=f(d) (кривая 16), которая имеет вид:
В предположении отсутствия рекомбинационных потерь уровень измеряемого напряжения в зоне пучка имел бы линейную зависимость (прямая 17). Тогда производная функции (5) в точке, соответствующей началу координат, является тангенсом угла наклона касательной 17 к кривой 16. Данная касательная является характеристикой заявляемой ионизационной камеры с учетом рекомбинационных потерь и отражает величину напряжения V, соответствующую средней ширине пучка D и равную:
Пространственная плотность потока заряженных частиц зависит от условий вывода частиц из ускорителя и настройки элементов магнитного тракта транспортировки частиц. Для определения пространственной плотности пучка секции А и Б ионизационной камеры повернуты относительно друг друга на 90° по оси Z (фигура 1). Взаимно перпендикулярные силовые линии электрических полей по осям Х и Y между каждой полоской электрода 1 и высоковольтным электродом 4 секции А и между каждой полоской электрода 2 и высоковольтным электродом 5 секции Б образуют координатную сетку. Перемещающиеся по силовым линиям электрических полей ионы, число которых соответствует числу заряженных частиц, прошедших через определенную область координатной сетки, преобразуются в напряжения в электронных блоках 9 и 10. По измеренным напряжениям, соответствующим каждой полоске, строится распределение плотности потока по осям Х и Y.
x
y
1
Экспериментальные измерения профиля пучка показали, что пространственная плотность подчиняется закону нормального распределения. Учитывая, что величины измеряемых напряжений зависят как от величины потока, так и от величин межэлектродных расстояний, выполняется нормировка измеренных напряжений к единице, т.е. распределение по оси ординат строится в относительных единицах, а по оси абсцисс - по величине ширины полосок электродов. На фигуре 4 представлены построенные распределения плотностей потока по осям Х и Y (22, 23). Проведенный анализ показал, что средняя ширина пучка D (19) и D (20) по осям Х и Y равна 2σ. Исследования также показали, что для выполнения корректных измерений расстояние между высоковольтным и полосковым электродами (1-4, фигура 3) в секции А не должны быть меньше 6σ, т.е. d>6σ. В уравнении (6) средняя ширина пучка принимается равной:
В окончательном виде искомое число частиц, прошедших через ионизационную камеру, можно представить как
Следовательно, вычислив среднюю величину ширины пучка с помощью полосковых сигнальных электродов, развернутых относительно друг друга на 90°, измерив напряжения, снимаемые с сигнальных электродов, расположенных на разных расстояниях от высоковольтных электродов вне зоны пучка, и, используя табличные данные, можно получить абсолютное значение числа заряженных частиц в потоке.
Таким образом, применив в мониторе пучка заявляемую ионизационную камеру такой конструкции и методику вычисления величины потока, отпадает необходимость в использование дополнительного прибора - пропорциональную камеру, выставляемую на трассу пучка. Детектор пучка позволяет получать абсолютные значения числа частиц в любой области поперечного сечения пучка при этом, не воздействовать на сам пучок и получать результаты измерений в режиме реального времени.
Экспериментальная проверка
9
Проверка работы заявляемой ионизационной камеры с поперечным электрическим полем относительно оси пучка для измерения абсолютного числа заряженных частиц была выполнена на синхроциклотроне ПИЯФ им. Б.П.Константинова РАН на пучке протонов с энергией 1 ГэВ, интенсивностью N~10 протон/сек и шириной пучка на уровне стандартного отклонения нормального распределения, равной 1,3 см.
На фигуре 5 представлена экспериментальная установка, состоящая из контрольной пропорциональной камеры 25, монитора пучка с заявляемой ионизационной камерой 26, контрольного монитора с двухсекционной ионизационной камерой 27 и полупроводникового лазера 28. Все приборы выставлялись по лучу лазера, который выводился с пучка протонов после выполнения трассировки.
1
2
3
В процессе экспериментальных исследований по измеренным величинам с полосковых сигнальных электродов 1 и 2 было построено распределение плотности потока по осям Х и Y и вычислена средняя ширина пучка протонов D на уровне стандартного отклонения (фигура 4). Зависимости 15, 16 и 17 (фигура 2) строились по измеренным суммарным величинам напряжений V, V с каждой полоски сигнальных электродов 1 и 2 (фигура 1) при межэлектродном расстоянии 6 см и 8 см, соответственно, и напряжению V со сплошного электрода при межэлектродном расстоянии 11 см. Ширина полосок сигнальных
электродов составляла 12 мм с зазором между полосками 0,5 мм. Длины всех сигнальных электродов L были равными и составляли 4 см.
Вычисленные поперечные размеры пучка на основании измерений пропорциональной камерой и измерений предложенной ионизационной камерой находятся в пределах погрешностей данных методов. Погрешность измерения может быть снижена увеличением числа полосок в сигнальных электродах. Далее определялось число протонов в измеряемом пучке, которое совпало с числом протонов, измеренным двухсекционной ионизационной камерой.
Таким образом, основными достоинствами данного монитора пучка являются: получение в режиме реального времени абсолютного значения числа заряженных частиц во всем пучке, измерение распределения плотности потока в поперечном сечении пучка, и, следовательно, получение абсолютного числа частиц в отдельных ограниченных областях поперечного сечения пучка. Элементы детектора находятся вне зоны пучка и, поэтому, не оказывают влияния на параметры пучка. Необходимо также отметить конструкционную простоту детектора пучка и возможность регулировки его чувствительности изменением межэлектродных расстояний и длин электродов вдоль пучка.
Заявляемая ионизационная камера такой конструкции может найти применение на ускорителях заряженных частиц, где задачи корректных измерений потоков без воздействия самого прибора на измеряемый пучок являются необходимыми и важными, например, в физических экспериментах с тяжелыми ионами низких энергий и в протонной терапии.