ДВУХСЕКЦИОННАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Изобретение относится к приборам для определения величины интенсивности, плотности потока частиц и энергии излучения, а конкретно к ионизационным камерам и может быть применено в практике научно-технических исследований и физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц.
Известна пропорциональная камера (профилометр) для измерения распределения плотности потока в поперечном сечении пучка. Сигнальные электроды в камере, выполненные в виде взаимно перпендикулярных изолированных друг от друга проволочек, образуют координатную сетку, с которых снимается информация о равпределении плотности потока частиц сечении пучка [1] (J. Buchanan a.a. A multi-wire proportional counter system for use in low, medium and high energy physics. (MWPC). Nucl. Instrum. and Methods 1972 v99 p.159-172). Однако пропорциональная камера не позволяет получить информацию о величине потока. Также недостатком камеры является необходимость ее прокачки инертным газом с контролируемой чистотой и давлением.
Наиболее близкой к заявляемой ионизационной камере (ИК) является двухсекционная ионизационная камера (ДИК) с воздушным наполнением [2] (О.В.Лобанов, В.В.Пашук. Двухсекционная ионизационная камера. Патент на полезную модель №54462 Заявка №2005137812. ДИК содержит два высоковольтных электрода, два апертурных электрода, два сигнальных электрода, расположенных в каждой секции на различных расстояниях от высоковольтных электродов.
Различные по величине межэлектродные расстояния в секциях позволяют учесть рекомбинационные потери ионов, а наличие апертурных электродов позволяет учесть ионизацию воздуха δ-электронами, образующихся при прохождении заряженных частиц (протонов) через ДИК. Таким образом, два этих элемента конструкции позволяют выполнять абсолютные измерения числа протонов в потоке в режиме реального времени без предварительной градуировки монитора пучка эталонными приборами.
Недостатком прототипа является то, что при измерении потока протонов отсутствует информация о распределении плотности потока частиц в сечении пучка, которую можно получить только используя дополнительно профилометр.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание универсального устройства, обеспечивающего измерения абсолютного числа протонов в потоке и распределение плотности потока частиц в сечении пучка.
Поставленная задача достигается тем, что в известной двухсекционной ионизационной камере для измерения потока заряженных частиц, включающей два крайних высоковольтных электрода, два заземленных апертурных электрода и находящиеся между апертурными электродами два сигнальных электрода, к которым подключены конденсаторы, причем расстояния между высоковольтным и сигнальным электродами в каждой секции различны, новым является то, что сигнальные электроды выполнены из изолированных друг от друга полосок алюминиевой фольги одинаковой ширины, причем полоски одного сигнального электрода развернуты относительно полосок другого сигнального электрода на 90 градусов и к каждой полоске сигнальных электродов подключен отдельный конденсатор.
Ориентированные полоски сигнальных электродов по осям Х и Y в секциях А и Б образуют координатную сетку. Измеренное число ионов, соответствующее числу заряженных частиц, прошедших в области, ограниченной каждой полоской и высоковольтным электродом, позволяет построить распределение плотности потока протонов в сечении пучка по координатам Х и Y. Суммарное число ионов по всем полоскам сигнальных электродов в обеих секциях позволяет вычислить абсолютное значение числа протонов, прошедших через заявляемую полосковую двухсекционную ионизационную камеру (П-ДИК). В предлагаемой камере совмещены функции абсолютного монитора пучка протонов и профилометра.
А
Б
На фигуре 1 представлена заявляемая П-ДИК, где: 1 и 6 - высоковольтные электроды; 2 и 5 - апертурные электроды; 3 - полосковый сигнальный электрод по координате Y, (секция А); 4 - полосковый сигнальный электрод по координате Х (секция Б); (d и d - расстояния между сигнальным и высоковольтным электродами в секциях А и Б; 7 и 8 - электронные схемы съема информации [2] с полосковых электродов в секциях А и Б, в которых находятся конденсаторы, каждый из которых подключен к отдельной полоске; 9 - электронный блок обработки данных; Z - координата по трассе пучка; ПК - персональный компьютер; U*- источник высокого напряжения.
А
Б
А
Б
Б
А
Б
На фигуре 2 представлена иллюстрация зависимостей напряжений V, U и  от величины межэлектродного расстояния d, где: 10 - аппроксимация суммарных измеренных напряжений U и U по всем полоскам в секциях А и Б с межэлектродными расстояниями d и d; 11 - аппроксимация суммарных напряжений  и  с учетом поправки на ионизацию δ-электронами в секциях А и Б; 12 - зависимость вычисленных напряжений V и V от d в секциях А и Б с учетом поправок на ионизацию δ-электронами и потерь заряда в результате рекомбинаций ионов.
На фигуре 3 представлена схема съема информации при регистрации пучка протонов, где: 13 и 14 - сигнальные полоски по координатам Y и Х в секциях А и Б, соответственно.
На фигуре 4 представлена зависимость уровня сигнала по координатам Х и Y, построенная в относительных единицах по экспериментально измеренным напряжениям на каждой полоске в секциях А и Б при регистрации пучка протонов с поперечным сечением меньше апертуры П-ДИК.
На фигуре 5 представлена зависимость уровня сигнала по координате X, построенная в относительных единицах по экспериментально измеренным напряжениям на каждой полоске в секции Б при регистрации пучка протонов с поперечным сечением больше апертуры П-ДИК.
Устройство работает следующим образом
При прохождении протонов через П-ДИК воздух в объеме камеры ионизируется как первичными частицами, так и δ-электронами, выбиваемыми из электродов проходящими через них протонами. В процессе ионизации воздуха образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Ионы, перемещающиеся в электрическом поле между высоковольтными и полосковыми сигнальными электродами 1-3 и 6-4 в секциях А и Б (фигура. 1), индуцируют токи во внешних цепях, которыми заряжаются конденсаторы, каждый из которых подключен к соответствующей полоске полосковых электродов и находятся в электронных блоках 7 и 8. Измеренные напряжения U на конденсаторах С обрабатываются в электронном блоке 9, к которому подключен компьютер (ПК).
Оба полосковых сигнальных электрода 3 и 4 состоят из k одинаковых по ширине изолированных друг от друга тонких алюминиевых полосок фольги, причем зазоры между полосками значительно меньше не только межэлектродных расстояний d и величины отверстия апертурного электрода, но и ширины полосок. Полоски одного сигнального электрода развернуты относительно полосок другого сигнального электрода на 90° по трассе пучка, образуя координатную сетку, что позволяет получить информацию о распределении плотности потока в поперечном сечении.
Заземленные апертурные электроды 2 и 5, расположенные вблизи сигнальных электродов между сигнальными и высоковольтными электродами в обеих секциях, предназначены для формирования границ однородного электрического поля в пространстве между высоковольтными электродами и полосковыми сигнальными электродами. Ионы, образованные δ-электронами внутри отверстия апертурных электродов, собираются на сигнальных электродах. Ионы, образованные за пределами отверстия собираются на заземленных апертурных электродах. Такая конструкция камеры позволяет сформировать область измеряемого заряда с однородным электрическим полем как в самой камере так и в области каждой полоски.
1. Измерение числа протонов (аналогично в устройстве-прототипе)
Для вычисления потока протонов напряжения, измеренные на конденсаторах, подключенных к каждой полоске в секциях А и Б, суммируются
1
k
А(Б)
где u-u - напряжения, измеренные на каждой из полосок в секциях А и Б; U - суммарное напряжение со всех полосок в секции А (Б); k - число полосок
С учетом поправки на рекомбинационные процессы в ионизированном воздухе можно записать
А
Б
p
δ
где: Q - заряд, образованный в объеме ИК при прохождении потока протонов через секцию А (Б); С - емкость конденсатора; λ-коэффициент, учитывающий потери заряда за счет рекомбинации ионов в объеме ИК с межэлектродным расстоянием d (d); N - число протонов в потоке; n, n - число пар ионов, образованных в межэлектродном пространстве секции А (Б) протоном и δ-электронами, вылетающими из электродов, соответственно; q - заряд электрона.
А
Б
А
Б
В предположении отсутствия рекомбинационных потерь образовавшегося заряда напряжение V имело бы линейную зависимость от величины межэлектродного расстояния d, а уровень сигнала V (V) был бы пропорционален величине межэлектродного расстояния d (d), соответственно (фиг.2 (12)).
А
Б
A
Б
Реально же, из-за рекомбинационных потерь, зависящих от плотности заряда, напряженности поля и подвижности ионов, зависимость 10 измеренного напряжения U от d отклоняется от прямой 12. Тогда, уровень напряжения U (U) определяется потерями заряда в зависимости от межэлектродного расстояния d (d).
А
Б
Зависимость  () от величины межэлектродного расстояния d за вычетом вклада в ионизацию воздуха δ-электронами представлена кривой 11.
Из выражения (2) число протонов N в пучке можно представить как
где - dE/dx - удельные ионизационные потери протона в воздухе; ρ - плотность воздуха; ω - энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов; К - коэффициент, куда вошли постоянные величины; V' - производная от функции =f(d) в точке d=0.
Средний поток протонов I за время измерения Т равен:
2. Измерение распределения плотности пучка протонов в поперечном сечении
Образующие координатную сетку полоски 13 и 14 сигнальных электродов секций А и Б (фигура 3), развернутые относительно друг друга на 90°, позволяют по измеренным напряжениям с каждой полоски электродов построить распределение плотности потока в поперечном сечении.
iА(Б)
На основании выражений (1-3) для величины потока и функции распределения плотности потока, построенной в относительных единицах по измеренным напряжениям на каждой полоске по координатам Х и Y (фигура 4), можно определить число протонов N, прошедших через каждую полоску в секциях А и Б:
i-1
i+1
0
где g - координата х (у) полоски с номером i; g, g - координаты границ полоски с номером i; g - координата максимума функции распределения плотности по координате Х (Y) секции А (Б); σ - стандартное отклонение распределения по координате Х (Y) секции А (Б).
3. Пример реализации полосковой двухсекционной ионизационной камеры с функцией профилометра
8
9
-1
Проверка работы заявляемой полосковой двухсекционной ионизационной камеры для измерения абсолютного числа протонов и получения информации о распределении плотности пучка в поперечном сечении была выполнена на синхроциклотроне ПИЯФ им. Б.П.Константинова РАН на пучке протонов с энергией 1 ГэВ, в интервале потоков I~10-10 с, с шириной пучка 3-23 см с нормальным распределением.
П-ДИК, состоящая из четырех панелей с отверстиями в центре, собрана в единый блок с помощью фторопластовых стоек, длина которых определяет величину межэлектродного расстояния в каждой секции. Панели с высоковольтными и сигнальными электродами изготовлены из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Фольга панели с полосковым сигнальным электродом, обращенная внутрь ИК, заземлена и служит апертурным электродом. Высоковольтные и колосковые сигнальные электроды изготовлены из алюминиевой фольги, толщиной 10 мкм. Межэлектродные расстояния в секциях А и Б - 2,1 и 4,2 см соответственно. Габариты камеры - 30×30×10 см. Площади электродов - 19,25×19,25 см. Отверстия апертурных электродов - 19,5×19,5 см. Число полосок в каждой секции - 11. Ширина каждой полоски - 1,75 см, зазор между ними - 0,5 мм.
Измеренная ширина пучка с нормальным распределением плотности потока на уровне стандартного отклонения в эксперименте на пучке, ширина которого меньше апертуры П-ДИК (фигуры 3, 4), составила 3 см. В эксперименте с шириной пучка больше апертуры П-ДИК (фигура 5) измеренная ширина пучка составила 11,4 см.
Заявляемая полосковая двухсекционная ионизационная камера может найти применение на ускорителях заряженных частиц при настройке магнитных линз тракта, при облучении крупногабаритных изделий, например изделий электронной промышленности, а так же их компонентов.
Литература
1. J. Buchanan a.a. A multi-wire proportional counter system for use in low, medium and high energy physics. (MWPC). Nucl. Instrum. and Methods 1972 v99 p.159-172.
2. О.В.Лобанов, В.В.Пашук. Двухсекционная ионизационная камера. Патент на полезную модель №54462 - прототип.
Заявка №2005137812. Приоритет полезной модели 05.12.2005.