Ионизационная камера

Полезная модель 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 ионизационная камера, в которой пучок заряженных частиц проходит между высоковольтным и сигнальным электродами, причем высоковольтный электрод параллелен сигнальному электроду. Разноименные ионы, образующиеся в результате ионизации заряженными частицами воздуха межэлектродного пространства, двигаясь по силовым линиям электрического поля, собираются на электродах ионизационной камеры. Поток ионизирующего излучения определяется измеренной величиной тока в цепи сигнального электрода, равного ионному току камеры: К.Н. Ермаков и др., Ионизационный монитор пучков заряженных частиц. Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-технический сборник. Москва 2007, выпуск 3-4, 82-84 с. [1].
Недостатком данного прибора является то, что он предназначен только для относительных измерений, поскольку в процессе регистрации всегда неизвестна потеря ионов в результате их рекомбинаций, которая определяется многими факторами: напряженностью электрического поля, пространственной и временной плотностью ионизации, потоком частиц, временными задержками считывания информации и т.д. Проведение абсолютных измерений потока ионизирующего излучения потребует предварительной длительной градуировки первичными абсолютными детекторами (цилиндром Фарадея, активационным детектором и т.д.).
6
9
-1
По физическим характеристикам и конструкционным признакам наиболее близкой к заявляемому прибору является двухсекционная ионизационная камера для измерения в режиме реального времени абсолютного числа заряженных частиц (протонов промежуточных энергий) в пучках, описанная в работе: Н.А. Иванов, и др. Абсолютный ионизационный монитор пучков протонов. ПТЭ, 2009, №6, 5-10 с. [2]. Ионизационная камера - прототип представляет собой две последовательно расположенные ионизационные камеры с воздушным наполнением при нормальном давлении, каждая из которых содержит высоковольтный, сигнальный электроды и апертурные электроды, расположенные в непосредственной близости от сигнальных электродов. Расстояние между высоковольтным и сигнальным электродами в каждой секции ионизационной камеры различны по величине. Пучок протонов направлен перпендикулярно электродам. Направление векторов электрических полей  и  совпадает с направлением пучка протонов. К сигнальным электродам подключены равные по номиналу конденсаторы, заряжаемые индукционным током во внешней цепи, равным ионному току камеры каждой секции. Абсолютная величина потока протонов вычисляется на основании одновременно измеренных напряжений на конденсаторах. Алгоритм расчета, описанный в работе [2], основанный на математической обработке зависимости измеренных напряжений от межэлектродного расстояния, позволяет автоматически учесть рекомбинационные потери в обеих секциях. Ионизационная камера - прототип обеспечивает абсолютные измерения потоков протонов в пределах 10÷10 с с погрешностью ~10%.
Недостатком ионизационной камеры - прототипа является то, что для точного определения потока протонов необходим предварительный анализ и расчет поправок на ионизацию воздуха δ-электронами, образующимися при прохождении протонов через электроды из алюминиевой фольги толщиной 10-20 мкм. Эти электроны вызывают дополнительную «фоновую» ионизацию воздуха в рабочем объеме камеры. Для учета их вклада в общую ионизацию в конструкцию прибора был введены апертурные электроды, располагающиеся в непосредственной близости от сигнальных электродов. Наличие δ-электронов, вылетающих из фольг, и апертурных электродов не позволяет существенно уменьшить межэлектродное расстояние в каждой секции двухсекционной ионизационной камеры, что дало бы возможность расширить измеряемый диапазон в сторону больших значений потоков протонов, поскольку соотношение «фон»/«полезный сигнал» практически обратно пропорционально межэлектродному расстоянию. При мониторировании пучков протонов с более низкими энергиями (50-100 МэВ) или пучков тяжелых ионов такая конструкция двухсекционной камеры - прототипа оказывается неприемлемой из-за уширения пучка за счет кулоновского рассеяния первичных частиц на ядрах вещества электродов. Кроме того, необходимость выполнения четырех электродов из тонких фольг приводит к технологическим трудностям при создании прибора.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении расширения измеряемого диапазона потока протонов в сторону больших значений и в упрощении конструкции.
Это достигается тем, что в известной ионизационной камере для измерения числа монохроматических протонов в пучке, состоящей из двух секций, каждая из которых включает высоковольтный электрод, сигнальный электрод, к которому подключен конденсатор, причем расстояние между высоковольтным электродом и сигнальным электродом первой секции не равно расстоянию между высоковольтным электродом и сигнальным электродом второй секции, и плоскости этих электродов параллельны, новым является то, что в каждой секции сигнальные электроды имеют различную длину, высоковольтный электрод расположен от сигнального электрода на расстоянии, обеспечивающем прохождение пучка протонов между ними, и это расстояние равно или пропорционально длине соответствующего сигнального электрода в секции, причем конденсаторы в каждой секции подключены к соответствующим сигнальным электродам или их частям через синхронные коммутационные ключи.
1
2
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
С1
С2
1
2
На фиг. 1 представлен эскизный чертеж ионизационной камеры - заявляемой полезной модели в плане: А (вид сбоку) и Б (вид печатной платы сверху), где: ИК и ИК - первая и вторая секции; 1'' и 1' - сигнальные электроды длиной вдоль трассы пучка L'' и L' в секции ИК 2'' и 2' - сигнальные электроды длиной вдоль трассы пучка L'' и L' в секции ИК; 3 и 3 - высоковольтные электроды в секциях ИК и ИК; 4 - источник высоковольтного напряжения; 5 - двухсторонняя фольгированная стеклотекстолитовая печатная плата; 6 - заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальные электроды; 7 - заземленный электрод с внешней стороны печатной платы (экранный электрод); печатная плата 5 с сигнальными электродами 1'', 1', 2'' и 2', окруженными по периметру заземленным электродом 6 для создания однородного электрического поля в каждой секции, и с экранным электродом 7 выполнена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита; 8 и 8 - коммутационные ключи для изменения диапазона измеряемого потока протонов; I, II - положение ключей при изменении диапазона измеряемого потока протонов; D - поперечный размер пучка; d и d - межэлектродные расстояния между сигнальным и высоковольтным электродами в секциях ИК и ИК соответственно;  и  - векторы электрического поля в секциях ИК и ИК; Н - ширина печатной платы; h - ширина сигнальных электродов; ΔL - ширина зазора между заземленным электродом 6 и сигнальными электродами 1'', 1', 2'', 2'; R - расстояние между секциями ИК и ИК; U и U - измеряемые напряжения на конденсаторах С и С.
С
С
С1
1
С2
2
На фиг. 2 представлена зависимость напряжений U, U от межэлектродного расстояния d, где 9 - зависимость U от межэлектродного расстояния d, построенная на основании экспериментально измеренных напряжений U=f(d) и U=f(d); 10 - касательная U к зависимости 9 в точке d=0.
На фиг. 3 представлены зависимости потока протонов I, полученные с помощью заявляемой ионизационной камеры (11) и с помощью двухсекционной ионизационной камеры - прототипа (12) от величины тока J, измеренного относительным монитором в главном зале ускорителя, где: 11 - абсолютные значения потока протонов, полученные с помощью заявляемой ионизационной камерой и вычисленные с помощью алгоритма, используемого в прототипе; 12 - абсолютные значения потока протонов, полученные с помощью ионизационной камеры - прототипа и вычисленные с помощью алгоритма, используемого в прототипе.
Работа устройства.
1
2
1
2
1
2
1
2
С1
С2
В секциях ИК и ИК предлагаемой полезной модели пучок протонов проходит между параллельно расположенных друг другу высоковольтного и сигнального электрода (фиг. 1). В отличие от прототипа векторы электрических полей  и  направлены перпендикулярно пучку протонов (поперечное электрическое поле). Конденсаторы С и С, включенные в цепи сигнальных электродов через синхронные коммутационные ключи 8 и 8 секций ИК и ИК, заряжаются индукционным током, равным ионному току соответствующей ионизационной камеры. Измеряемые одновременно напряжения U и U позволяют с использованием алгоритма, изложенного в прототипе и представленного ниже, вычислить в режиме реального времени абсолютное число протонов, прошедших через заявляемую ионизационную камеру.
1
2
В процессе ионизации воздуха межэлектродного промежутка под действием заряженных частиц образуются положительно заряженные ионы и электроны. Электроны за счет высокой вероятности их сродства с атомами кислорода прилипают к последним, образуя отрицательно заряженные атомы кислорода. Число пар ионов - n, образованных проходящим пучком протонов с числом N в межэлектродном пространстве секций ИК и ИК за время интегрирования Т, можно представить как:
где  - удельные ионизационные потери протона; ρ - плотность воздуха;
1(2)
1(2)
1(2)
1
2
L - суммарная длина сигнального электрода (L''+L') или длина узкого сигнального электрода L' в секции ИК (ИК) (фиг. 1); ω - энергия, затрачиваемая протоном на образование одной пары ионов.
Умножив правую часть соотношения (1) на  и обозначив , получим следующее выражение для числа пар ионов:
1(2)
где λ - рекомбинационные потери ионов в межэлектродном пространстве.
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
6
9
Коммутационные ключи 8 и 8 (фиг. 1) предназначены для выбора диапазона измеряемого потока протонов. В режиме измерения потоков от 10 до 10 1/с коммутационные ключи (8, 8) синхронно переключаются в положение I. В этом случае число пар ионов (1) прямо пропорционально суммарной длине сигнальных электродов L=L''+L' (секция ИК) или L=(L''+L') (секция ИК), и коэффициент k (отношение расстояния между высоковольтным электродом и сигнальным электродом) равен 1:
Тем самым подтверждается необходимое условие в конструкции заявляемой ионизационной камеры: сигнальные электроды и высоковольтные электроды в каждой секции расположены на разном расстоянии друг от друга, равном длине соответствующего сигнального электрода. При равенстве длины сигнального электрода и межэлектродного расстояния условия рекомбинации в заявляемой камере и прототипе одинаковы (напряженности электрического поля равны). Это позволяет использовать в заявляемой ионизационной камере для вычисления абсолютной величины потока протонов алгоритм прототипа (фиг. 2).
9
1
2
2
1
2
1
2
1
2
В режиме измерения потоков больше 10 1/с коммутационные ключи (8, 8) синхронно переключаются в положение II. Сигнальные электроды 1'' и 2'' (фиг. 1) заземлены. Делается это для того, чтобы в области ионизованного протонами воздуха, ограниченного узким сигнальным электродом 1' (2') длиной L' (L') и высоковольтным электродом 3 (3) в секции ИК (ИК), соответственно, было однородное электрическое поле. В этом случае число ионов (1) прямо пропорционально длине узкого сигнального электрода L' (L'), и коэффициент k можно представить как:
С использованием части сигнального электрода пропорционально уменьшается уровень измеряемого сигнала, но при этом остается неизменной напряженность электрического поля, поскольку межэлектродное расстояние остается прежней величиной, и сохраняются условия рекомбинации. Следовательно, переключение длины электродов позволяет, не изменяя физических условий работы заявляемой ионизационной камеры, измерять большие по величине потоки протонов.
1
2
Перемещающиеся по силовым линиям электрического поля в пространстве между высоковольтным и сигнальными электродами ионы, индуцируют токи во внешних цепях сигнальных электродов, равные ионным токам камер. Этими токами заряжаются равные по номиналу конденсаторы C и С, включенные в каждой секции заявляемой ионизационной камеры.
C1(2)
1(2)
1(2)
Напряжение U на конденсаторе С в цепи сигнального электрода каждой секции заявляемой полезной модели с межэлектродным расстоянием d можно представить как
где е - заряд электрона.
C
1(2)
С
С
С увеличением межэлектродного промежутка d рекомбинационные потери растут, и зависимость уровней сигналов U от d (9 на фиг. 2) отличается от линейной (λ=l). Поскольку рекомбинационные потери при d→0 также стремятся к нулю, то касательная U к функции U в точке d=0 (10 на фиг. 2) служит характеристикой работы ионизационной камеры в отсутствие потерь ионов в рекомбинационных процессах. Уравнение касательной U определяется как производная от функции U, умноженная на межэлектродное расстояние d.
Число протонов N и поток протонов I можно определить из соотношения (3), воспользовавшись алгоритмом расчета, изложенным в прототипе (приводим ниже):
где  - множитель, зависящий от энергии протона;
V' - значение производной от функции 9 (фиг. 2) в точке d=0.
Если выражение (4) записать в виде , то видно, что измеряемый поток протонов в численном значении возрастает при уменьшении коэффициента k, т.е. при использовании узкого сигнального электрода.
Таким образом, можно сделать вывод, что в заявляемой ионизационной камере конструктивно обеспечена возможность расширения измеряемого диапазона потока протонов в сторону больших значений, а также сохранено достоинство прототипа по возможности получения абсолютных значений величины потока.
При этом отпала необходимость выполнения электродов из тонкой фольги, что необходимо в прототипе, где поток протонов проходит непосредственно через электроды. Для изготовления сигнальных электродов в заявляемой ионизационной камере, где поток протонов направлен между электродами (сигнальным и высоковольтным), применена печатная плата из двустороннего фольгированного стеклотекстолита, что значительно упрощает конструкцию устройства.
Экспериментальная проверка
8
8
8
8
-1
1
1
1
2
2
2
1
2
Проверка работы заявляемого двухсекционной ионизационной камеры с поперечным электрическим полем относительно трассы пучка и принципов расчета абсолютной величины числа частиц в пучке была выполнена на синхроциклотроне ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ «Курчатовский институт» на коллимированном пучке протонов со следующими параметрами: энергия 1000 МэВ, диаметр пучка - 2,5 см; поток - 1,44⋅10; 3,2⋅10; 3,13⋅10; 4.17⋅10 с. Параметры детектора: (L+L')=4,2 см; d=4,2 см; (L+L')=8,4 см; d=8,4 см; S=9 см; Н=6 см; h=4 см. Величина высокого напряжения изменялась от 1000 В до 1800 В. В зависимости от величины потока емкость конденсаторов С выбиралась равной 5080 пФ или 23100 пФ. Печатная плата 5 с сигнальными электродами 1'', 1', 2'' и 2', окруженными по периметру заземленным электродом 6 для создания однородного электрического поля в каждой секции, и с экранным электродом 7 (фиг. 1), выполнена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Высоковольтные электроды (3 и 3) выполнены из дюралюминия толщиной 0,2 мм.
8
-1
На фиг. 2 в качестве примера представлена зависимость напряжений на конденсаторах от величины межэлектродного расстояния. Расчетный поток протонов, полученный при обработке этой зависимости, равен 4,17⋅10 с.
На фиг. 3 представлены сравнительные результаты измерений потока протонов I, выполненных с помощью монитора с ионизационной камерой - заявляемой полезной моделью (11) и с помощью монитора с двухсекционной ионизационной камерой - прототипом (12) при различных значениях тока J относительного монитора, расположенного в главном зале ускорителя. Результаты измерений совпадают в пределах 10%. (т.е. измерения проводились в одних и тех же условиях)
Применив заявляемую модель - ионизационную камеру с поперечным электрическим полем относительно трассы пучка, в которой протоны проходят секции параллельно электродам, не пересекая их, и сохранив разработанный алгоритм расчета количественных характеристик пучка частиц для двухсекционной ионизационной камеры, что потребовало введения в конструкцию камеры специальных соотношений длин сигнальных электродов и межэлектродных расстояний, можно устранить указанные выше недостатки ионизационной камеры - прототипа.
6
12
-1
Прежде всего, в заявляемой модели отпала необходимость в четырех тонких электродах, расположенных на пути протонного пучка. В ней сигнальные и высоковольтные электроды параллельны друг другу, не соприкасаются с измеряемым пучком заряженных частиц и, следовательно, не вносят искажений в количественный и качественный состав первичного протонного пучка. Кроме того, отсутствие тончайших электродов упростило технологию изготовления прибора и дало возможность регулировки его чувствительности в области больших потоков протонов за счет уменьшения длины сигнальных электродов вдоль пучка непосредственно во время эксперимента (k меньше 1 в соотношении 4). Уменьшением длины сигнальных электродов, а также изменением емкости конденсаторов и времени интегрирования можно обеспечить измерение потока протонов в диапазоне 10÷10 с.
Заявляемая ионизационная камера такой конструкции может найти применение на ускорителях тяжелых заряженных частиц, где задачи корректных измерений потоков являются необходимыми и важными, а также в тех случаях, где уширение пучков недопустимо, например, в протонной терапии, офтальмологии.
Литература
1. К.Н. Ермаков, Н.А. Иванов, Е.А. Котиков, О.В. Лобанов, А.Ф. Найдёнков, В.В. Пашук, М.Г. Тверской. Ионизационный монитор пучков заряженных частиц. Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-технический сборник. Москва 2007, выпуск 3-4, 82-84 с.
2. Н.А. Иванов, О.В. Лобанов, В.В. Пашук. Абсолютный ионизационный монитор пучков протонов. ПТЭ, 2009, №6, 5-10 с. - прототип.