Спектрометр заряженных частиц
CHARGED PARTICLES SPECTROMETER

Изобретение относится к приборам для дозиметрии и измерения спектров заряженных частиц.
Известны спектрометры и спектрометры-дозиметры потоков заряженных частиц с менее широким диапазоном принимаемого излучения. Подобные приборы достаточно чувствительны к низкоэнергетическим заряженным частицам, однако, более энергичные частицы, длина трека которых больше чувствительной области детекторов, в них не останавливаются. Соответственно диапазон частот измерения аналогов по сравнению с диапазоном измерения спектрометра ниже.
Например, спектрометр энергий заряженных частиц (см. SU №970980, МПК G01T 1/36, опубл. 23.05.1983) содержит соединенные последовательно полупроводниковый детектор, импульсный усилитель и амплитудный анализатор, при этом введены детектор электронов с микроканальными пластинами и коллектором, источник ускоряющего напряжения, второй импульсный усилитель, узел временного отбора. Вход микроканальных пластин детектора электронов соединен с источником ускоряющего напряжения, коллектор - с входом второго импульсного усилителя, выход которого и второй выход первого импульсного усилителя - с входами устройства временного отбора, а выход второго узла соединен с входом управления амплитудного анализатора. Подобная схема соединения характерна низким энергетическим порогом чувствительности и ограниченностью энергетического диапазона измеряемых частиц.
Спектрометр-дозиметр (см. RU №2000582, МПК G01T 1/24, G01T 1/16, G01T 1/02, опубл. 07.09.1993), использующий -метод регистрации заряженных частиц, состоит из системы из двух -детекторов, первый и второй выходы которой соединены с входами первого и второго блоков аналоговых измерений соответственно, первые выходы которых соединены с первыми входами первого и второго аналогово-цифровых преобразователей, снабжен экраном-заслонкой, блоком стробируемых буферных усилителей, выход которого соединен через буферный регистр с общей шиной центрального процессорного устройства, а второй и третий входы подсоединены к выходам первого и второго аналогово-цифровых преобразователей. Однако введение -детектора вводит ограничение энергетического диапазона измерения, толщина детектора может быть меньше длины трека более энергичных частиц.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение информативности и расширение энергетического диапазона измерения регистрации частиц.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении информативности путем обеспечения возможности измерений потока и частиц с двух противоположных направлений.
Для решения поставленной задачи спектрометр заряженных частиц, содержащий полупроводниковые детекторы, образующие телескоп, с которыми последовательно соединены спектрометрические усилители и аналого-цифровые преобразователи, причем сцинтилляционный детектор снабжен усилителем, отличающийся тем, что с целью расширения информативности путем обеспечения возможности измерений потока и частиц с двух противоположных направлений, в котором установлено четное количество полупроводниковых детекторов, крайние детекторы выполнены с толщиной, меньшей толщины средних детекторов, выходы детекторов соединены с входами спектрометрических усилителей, а выходы усилителей – с входами аналого-цифровых преобразователей, выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с входами программируемой логической матрицы. Кроме того, крайние полупроводниковые детекторы выполнены с толщиной, в два раза меньшей толщины средних детекторов.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Отличительной характеристикой спектрометра является использование -метода регистрации заряженных частиц, в котором сигналы, полученные с нескольких полупроводниковых -детекторов, сравниваются в логической матрице, что повышает информативность измерения и увеличивает диапазон.
Блок детектирования выполнен в виде четного количества (четыре) полупроводниковых детекторов, образующих телескоп, причем крайние полупроводниковые детекторы в два раза тоньше средних, выходы полупроводниковых детекторов последовательно соединены с входами спектрометрических усилителей, выходы спектрометрических усилителей соединены с входами аналого-цифровых преобразователей и последовательно соединены с входами программируемой логической матрицы.
Заявленное решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема спектрометра; на фиг. 2 – расчетные значения ионизационных потерь для кремниевых полупроводниковых детекторов.
Спектрометр заряженных частиц имеет полупроводниковые детекторы 1-4, составляющие телескоп, выходы детекторов последовательно соединены с входами спектрометрических усилителей 5-8, выходы усилителей последовательно соединены с входами аналого-цифровых преобразователей 9-12, выходы преобразователей последовательно соединены с входами программируемой логической матрицы 13, контейнер антисовпадительного охранного детектора выполнен из пластмассового сцинтиллятора, находящегося в оптическом контакте с фотокатодом фотоэлектронного умножителя, выход которого через усилитель подключен к программируемой логической матрице 13 (см. фиг. 1).
Спектрометр заряженных частиц работает следующим образом.
Заряженные частицы при взаимодействии с веществом последовательно соединенных с входами спектрометрических усилителей 5-8 полупроводниковых детекторов 1-4 вызывают ионизацию, которая описывается соотношением Бете (см. формулу (1)):
(1)
где С - суммарная площадь, занимаемая поперечным сечением электронов, содержащихся в 1 г тормозящей среды;
z - заряд частицы, отнесенный к заряду электрона;
Z - заряд ядра в веществе детектора, отнесенный к заряду электрона;
2
mc - энергия покоя частицы;
- безразмерная функция энергии, параметры которой зависят от физических констант среды и тормозящихся частиц;
2
- толщина материала, выраженная в единицах поверхностной плотности (г/см), равная произведению толщины детекторов на плотность материала .
Вычисленные значения ионизационных потерь для полупроводниковых детекторов 1-4 показаны на фиг. 2. Толщина детекторов 1-4 равна 0,1. При прохождении заряженной частицы через полупроводниковые детекторы 1-4 выделенная в ней энергия преобразуется в выходной импульс и через спектрометрические усилители 5-8 передается на аналого-цифровые преобразователи 9-12 спектрометра заряженных частиц.
Толщину полупроводниковых детекторов d выбирают исходя из энергетических диапазонов регистрируемых частиц. Поскольку частицы сначала попадают на внешние (крайние) детекторы и должны давать соответствующие сигналы, их толщина должна быть ниже внутренних (средних). Иначе при тех же энергиях частиц из области мягкой области необходимо задействовать и внутренние детекторы, что нецелесообразно. Для удобства выбора диапазонов целесообразно толщину внешних детекторов выбирать кратной толщине внутренних. Например, в два раза тоньше. Приведенные толщины детекторов (0,05 см для внешних и 0,1 см для внутренних) охватывают практический диапазон энергий протонного излучения.
Рассмотрим работу спектрометра заряженных частиц при регистрации потока протонов.
Протоны с энергией от 1 до 8 МэВ полностью поглощаются в полупроводниковых детекторах 1 и 4 (см. фиг. 1, 2, кривая 17), т.е. в этом интервале энергий можно производить спектрометрию потока протонов с двух направлений. Протоны с энергией до 15 МэВ полностью тормозятся в детекторах 1 и 2, а также с противоположного направления в детекторах 3 и 4, что позволяет производить измерения с двух направлений в интервале энергий от 9 до 15 МэВ (см. фиг. 2 - кривые 17 и 18). Протоны с большей энергией, но до 20 МэВ, регистрируются полупроводниковыми детекторами 1-3 с одного направления, а детекторами 2-4 с противоположного направления. Протоны с энергией больше 21,5 МэВ проходят через всю систему детекторов 1-4. Так, например, при энергии протонов 40 МэВ в полупроводниковом детекторе 1 получают сигнал в энергетических единицах 1-1,4 МэВ (см. фиг. 2 – кривая 17), в детекторе 2 - 1,65 МэВ (см. фиг. 2 – кривая 18), в детекторе 3 - 2,9 МэВ (см. фиг. 2 – кривая 19), в детекторе 4 – 3,1 МэВ (см. фиг. 2 – кривая 20). Если протоны с энергией 40 МэВ попадают в систему со стороны детектора 4, получают сигнал: в детекторе 4 -  1,4 МэВ, в детекторе 3 – 1,65 МэВ, в детекторе 2 – 2,9 МэВ, в детекторе 1 – 3,1 МэВ. Таким образом, можно спектрометрировать потоки протонов с энергией больше 21,5 МэВ, а также различать направления прихода частиц. Верхний предел для определения энергии и направления частиц в данном конкретном случае с четырьмя полупроводниковыми детекторами составляет 60 МэВ. Этот предел можно расширить, если использовать более толстые детекторы 2 и 3 или увеличить общее чисто детекторов.
На фоне потока протонов можно произвести спектрометрирование потоков электронов с двух направлений в интервале энергий от 200 кэВ до 7 МэВ. Рассмотрим работу предложенного спектрометра заряженных частиц при регистрации потока электронов.
Кривые 21-24 (см. фиг. 2) соответствуют ионизационным потерям электронов в полупроводниковых детекторах 1-4. Кривая 21 пробега электронов с энергией до 0,58 МэВ характерна для тонких полупроводниковых детекторов 1 и 4, т.е. можно измерять энергию электронов с двух направлений до энергии 0,58 МэВ. Электроны с энергией выше 1,4 МэВ, но до 2,4 МэВ, регистрируются детекторами 1-3 или 2-4 с другого направления. А электроны, обладающие энергией выше 2,9 МэВ, могут проходить через детекторы 1-4. В данном случае можно измерять энергию и определять направление электронов до энергии 7 МэВ.
В целом принцип работы предложенного спектрометра заряженных частиц состоит в следующем.
Сигналы с полупроводниковых детекторов 1-4 через спектрометрические усилители 5-8 подаются в аналого-цифровые преобразователи 9-12, где преобразуются и подаются в программирующую логическую матрицу 13, которая имеет N входов и n выходов. Расчетным путем вычисляют возможные состояния выходных разрядов всех аналого-цифровых преобразователей 9-12 (т.е. состояние входных разрядов программируемой логической матрицы 13 при обоих направлениях попадания частиц и типа частиц (1 и p) при разных энергиях). После этого составляют таблицу входных состояний на входных шинах матрицы, программируют направление прихода частиц (1 бит), тип частицы (в данном случае – 1 бит) и энергию частицы (n = 2 бита). Точность измерений зависит от емкости матрицы и возможности ее наращивания. Пластический сцинтиллятор 14 исключает из анализа те события, при которых в детекторы 1-4 попадают высокоэнергичные проникающие частицы мимо апертуры телескопа.
Использование предложенного спектрометра заряженных частиц позволит:
• расширить энергетический диапазон измерений;
• независимо и одновременно измерять потоки частиц разных интенсивностей с двух противоположных направлений.
Тем самым появляется новая функциональная возможность и увеличивается информативность устройства без увеличения габаритов, веса и энергопотребления.