ДВУХСЕКЦИОННАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

Изобретение относится к приборам для определения интенсивности, плотности и энергии излучения или частиц, а конкретно к конструкциям ионизационных камер и может быть применено в практике физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц.
Известно устройство для измерения относительного числа заряженных частиц в пучках протонов в диапазоне 100-800 МэВ, описанное в работе [1]. Устройство представляет собой ионизационную камеру (ИК), заполненную газовой смесью Аr-Со и цилиндр Фарадея (ЦФ), ток и заряд которых пропорциональны числу частиц в пучках, прошедших через ИК и поглощенных в ЦФ, измеряются электронными приборами. ИК является монитором пучка, ЦФ - эталонным прибором. Недостаток устройства заключается в необходимости градуировки ИК перед началом каждой работы очень сложным прибором, каковым является ЦФ, с последующим выводом его с пучка из-за возможной сильной активации, размещением на пучке облучаемых объектов, а значит и отсутствием возможности контроля стабильности параметров ИК в процессе работы. На более высоких энергиях протонов устройство непригодно из-за сложности его изготовления.
Известно также устройство для измерения относительного числа заряженных частиц в потоках, описанное в работе [2]. Устройство содержит ИК с воздушным наполнением и конденсатор, включенный в цепь сигнального электрода ИК, напряжение на котором, пропорциональное заряду, образовавшемуся в объеме ИК при прохождении через нее потока заряженных частиц, измеряется с помощью прецизионного вольтметра. Данное устройство градуируется методом измерения наведенной активности на мишени, помещенной вместе с ИК в поток заряженных частиц. Недостатком данного устройства является необходимость градуировки устройства и связанная с ней погрешность измерения (~10-20%), необходимость повторных градуировок в случае изменения параметров потока заряженных частиц и разнесенные во времени процессы измерения и градуировки.
Наиболее близким к заявляемому устройству является двухсекционная ионизационная камера (ДИК) для измерения потока монохроматических заряженных частиц, описанная в полезной модели №18778 [3]. ДИК с воздушным наполнением содержит три высоковольтных электрода, два сигнальных электрода, расположенные между высоковольтными
электродами. Сигнальные электроды подключены к конденсаторам. Расстояние между высоковольтным и сигнальным электродом в каждой секции ДИК отличается в два раза. При прохождении потока заряженных частиц через ДИК образующиеся за счет ионизации воздуха заряды перемещаются в электрическом поле, приложенном к ДИК, и происходит заряд конденсаторов. Однако уровни сигналов на конденсаторах в каждой секции не пропорциональны величине межэлектродных расстояний, что объясняется разными условиями рекомбинации зарядов. На основании этой разницы измеренных уровней сигналов был найден алгоритм вычисления рекомбинационных потерь, которые учитывались при вычислении величин измеряемых потоков заряженных частиц.
Однако в устройстве-прототипе не учитывается вклад в ионизацию воздуха, вызываемую δ-электронами, выбиваемыми из электродов первичными заряженными частицами. Это может оказаться существенным при использовании электродов ДИК большой площади при измерении потоков с широким поперечным сечением, а также с малым зазором между высоковольтным и сигнальным электродами в ДИК. Это вносит дополнительные погрешности в величину измеряемого напряжения на конденсаторах. При этих условиях погрешность измерения потоков может достигать десятки процентов и, тем самым, не обеспечивается получение абсолютных значений измеряемых потоков с требуемой точностью.
Задачей заявляемого устройства является уменьшение погрешности при измерении числа заряженных частиц в потоках за счет учета вклада в общую ионизацию δ-электронов.
Поставленная цель достигается тем, что в известной ионизационной камере для измерения потока монохроматических заряженных частиц, включающей два высоковольтных электрода, два сигнальных электрода, причем каждые сигнальные электроды подключены к отдельным конденсаторам, и расположены сигнальные электроды относительно высоковольтных электродов таким образом, что расстояние между высоковольтным электродом и сигнальным электродом первой секции не равно расстоянию между высоковольтным и сигнальным электродом второй секции (межэлектродные зазоры в каждой секции различны), новым является то, что дополнительно введен в каждую секцию третий электрод с круглым отверстием по центру, который расположен между высоковольтным и сигнальным электродом в непосредственной близости от сигнального электрода и заземлен, причем диаметр отверстия вновь введенного электрода несколько больше поперечного сечения потока заряженных частиц.
Такая конструкция ИК позволит сформировать область измеряемого заряда и вычислить вклад в ионизацию, вносимую δ-электронами.
1
2
На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства. Двухсекционная ионизационная камера (ДИК) 1 состоит из двух секций: "А" и "Б". В секции "А" находится один высоковольтный электрод 2; в секции "Б" находится второй высоковольтный электрод 3. Оба высоковольтных электрода подключены к высоковольтному источнику напряжения 4. Кроме того, в секции "А" имеется сигнальный электрод 5, находящийся на расстоянии d от высоковольтного электрода 2. Сигнальный электрод 5 подключен к первому конденсатору 6, находящемуся в измерительном приборе 7. В секции "Б" имеется второй сигнальный электрод 8, расположенный на расстоянии d от высоковольтного электрода 3. Сигнальный электрод 8 подключен ко второму конденсатору 9, находящемуся также в измерительном приборе 7. Измерительный прибор 7 подключен к электронной вычислительной машине 10. Отличительной особенностью является введение третьего электрода 11 и 12 с отверстием, равным "D", по центру в секцию «А» и в секцию «Б» соответственно. Электроды с отверстием 11 и 12 расположены между высоковольтными электродами 2 и 3 и сигнальными электродами 5 и 6 соответственно в непосредственной близости от сигнальных, причем эти электроды с отверстием подключены на землю.
1
2
На фиг.2 схематично представлена область, в которой вычисляется ионизация от первичных заряженных частиц и δ-электронов, ограниченная диаметром отверстия "D" вновь введенного электрода, где: 13 - ионы, образованные первичными заряженными частицами и δ-электронами; 14 - силовые линии электрического поля; 15 - δ-электроны, не выходящие за пределы области, ограниченной диаметром "D" (δ-электроны с малой энергией); 16 - δ-электроны, выходящие за пределы области, ограниченной диаметром "D" под углом "α", образованным плоскостью сигнального электрода 5 (8) и направлением движения δ-электронов; 17 - δ-электроны, выходящие за пределы области, ограниченной межэлектродным зазором d (d) под углом "φ", образованным направлениями первичной частицы и δ-электроном.
δ
На фиг.3 представлена вычисленная зависимость числа δ-электронов (n) в каждой секции ДИК от величины отверстия "D" дополнительного вновь введенного электрода при межэлектродном зазоре: 2,1 см - в секции "А" (кривая 18) и 4,2 см - в секции "Б" (кривая 19).
На фиг.4 представлена зависимость напряжения V на конденсаторе от величины межэлектродного зазора, где кривая 20 - зависимость напряжения от величины межэлектродного
зазора с учетом вычисления поправки на вклад δ-электронов; кривая 21 -зависимость вычисленного напряжения от величины межэлектродного зазора с учетом потерь на рекомбинации и вклада δ-электронов (значком < - показано измеренное напряжение).
На фиг.5 представлены результаты эксперимента, когда величина потока заряженных частиц оставалась постоянной, а изменялась его плотность примерно в 25 раз.
Достижение эффекта, а именно повышение точности измерения потока заряженных частиц, основано на следующем экспериментальном факте. Ионы, образованные пучком заряженных частиц, ограничены областью потока частиц. δ-электроны, вылетая из электродов ИК с различными энергиями и под разными углами и ионизируя воздух по всему объему ИК и за ее пределами, собираются на сигнальном электроде, внося тем самым вклад в уровень измеряемого сигнала. Введение дополнительного электрода с отверстием, как показали эксперименты, позволило сформировать область измеряемого заряда, вычислить вклад в ионизацию δ-электронов и, тем самым, внести соответствующие поправки.
Устройство работает следующим образом.
Высоковольтные электроды 2 и 3, расположенные в ДИК (1), подключены к высоковольтному источнику питания 4. Через ДИК проходит поток заряженных частиц.
В процессе ионизации воздуха 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. Количество перемещающихся разноименных зарядов под действием электрического поля в пространстве между сигнальными 5 и 8 и высоковольтными 2 и 3 электродами в ДИК, пропорциональное прошедшему числу частиц N, можно определить, измеряя напряжения U на конденсаторах 6 и 9 соответственно, включенных в цепь сигнальных электродов. Измерение напряжения на каждом конденсаторе проводится одновременно.
Измеренное напряжение на каждом конденсаторе с учетом того, что вылетающие из электродов δ-электроны при прохождении заряженных частиц (как мы покажем ниже) также вносят вклад в ионизацию, можно представить как
P
δ
p
δ
где Q и Q - заряды, образованные в пространстве ДИК при прохождении через нее потока заряженных частиц и выбиваемых из электродов ими δ-электронов соответственно;  - число пар ионов, образованных в ДИК первичной заряженной частицей; dE/dx - удельные ионизационные потери заряженной частицы; ρ - плотность воздуха; d - величина межэлектродного зазора ДИК (в каждой секции); ω - энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов заряженной частицей; е - заряд электрона; n - число пар ионов, образованных δ-электронами; С - емкость конденсатора; λ - коэффициент, учитывающий потери заряда за счет рекомбинаций.
Из выражения (1) следует, что число первичных заряженных частиц равно
δ
Видно, что для определения N необходимо найти две величины: n и λ. Остальные величины могут быть найдены в таблицах физических величин или измерены стандартными приборами.
1
2
На фиг.2 схематично проиллюстрированы силовые линии 14 в объеме одной из секций ДИК, по которой двигаются ионы 13, и рабочая область сигнального электрода 5 (8), сформированная отверстием "D" третьего электрода 11 (12) в межэлектродном пространстве d (d). Разноименно заряженные ионы разделяются внешним электрическим полем и далее двигаются по силовым линиям поля. Ионы, образованные первичными заряженными частицами, ограничены областью потока частиц. δ-электроны 15, 16, 17, вылетая из электрода ДИК с различными энергиями и под разными углами, ионизируют воздух не только по всему объему ДИК, но и за ее пределами, внося, тем самым, дополнительный вклад в ионизацию.
Для определения вклада δ-электронов в уровень измеряемого сигнала, в каждую секцию ДИК был введен третий дополнительный электрод с отверстием 11 (12), диаметр "D" которого несколько превышает поперечное сечение потока заряженных частиц, для формирования области измеряемого заряда.
Дополнительный электрод 11 (12) имеет отверстие и располагается между сигнальным и высоковольтным электродами в непосредственной близости от сигнального электрода 5 (8) на расстоянии, значительно меньшем, чем от высоковольтного электрода 2 (3), и заземляется. Такое расположение электродов в ДИК позволяет получить тем
самым размер рабочей области сигнального электрода с диаметром, равным отверстию дополнительного электрода. Ионы, образованные δ-электронами в области ограниченной отверстием "D", двигаясь по силовым линиям электрического поля, будут собираться на сигнальном электроде, за пределами отверстия - на дополнительном электроде. Число ионов, образованных δ-электронами и собираемых на сигнальном электроде 5 (8), определяется:
δ
1
2
где ΔЕ - энергия, оставленная δ-электроном в межэлектродном пространстве ДИК, сформированном отверстием "D" третьего дополнительного электрода 11 (12) в межэлектродном пространстве с зазором d (d):
δ
E - энергия δ-электрона, вылетающего из электрода под углом φ к налетающей первичной частице;
k - толщина слоя высоковольтного и сигнального электродов, из которого вылетают δ-электроны;
δ
r - длина пробега δ-электрона в веществе электрода с энергией E;
h - толщина фольги электрода.
Рассматриваются случаи, соответствующие следующим ситуациям (фиг.2):
I - δ-электроны (15) не выходят за пределы области, ограниченной диаметром "D" дополнительного электрода (11, 12);
II - δ-электроны (16) выходят за пределы области, ограниченной диаметром "D", под углом α, образованным плоскостью сигнального электрода 5 (8) и направлением движения δ-электронов;
1
2
III - δ-электроны (17) выходят за пределы области, ограниченной зазором d (d), под углом φ, образованным направлениями первичной частицы и δ-электроном.
δ
N - число δ-электронов, образованных в материале электрода в интервале энергий :
е
е
n - концентрация электронов в среде; m - масса электрона; ν - скорость налетающей первичной частицы.
1
2
р
Таким образом, задавая конструкцию ДИК, толщину и материал электродов, т.е. D, d, d, зная энергию вылетающих из электродов δ-электронов, можно вычислить число ионов n, образованных δ-электронами в выделенном объеме.
δ
1
2
На фиг.3 представлена вычисленная зависимость числа ионов n, образуемых δ-электронами в межэлектродном зазоре (d=2,1 см в секции "А" и d=4,2 см в секции "Б") в зависимости от диаметра отверстия дополнительного электрода "D" для сигнального электрода, изготовленного из алюминиевой фольги толщиной 20 мкм, при облучении заряженной частицей (конкретно протоном с энергией 1 ГэВ). При вычислении числа ионов были использованы удельные ионизационные потери электронов, взятые из справочника [5].
р
Число ионов n, образованное протоном с энергией 1 ГэВ в воздухе на 1 см длины, рассчитанное по удельным ионизационным потерям, взятых из справочника [6], составляет 74,6.
Коэффициент потерь λ за счет рекомбинации для каждой секции ДИК можно определить аналитически согласно работе [3] или из представления уровня измеренного сигнала на конденсаторе (6, 9) функцией величины межэлектродного зазора (фиг.4). Если сделать допущение, что рекомбинационные потери и вклад в ионизацию δ-электронами при работе ДИК отсутствуют, зависимость напряжения от величины зазора должна быть линейной (прямая 21, точки V' и V'').
Измеренные же величины напряжений (точки <) с учетом поправки на δ-электроны ложатся на некоторую кривую 20 (точки —), которую математически можно представить функцией:
где , напряжение на конденсаторах 6 и 9 с учетом поправки на ионизацию δ-электронами в секциях "А" и "Б".
Тогда производная от этой функции при d=0 является тангенсом угла наклона касательной 21 к кривой 20, проведенной из начала координат. Данная касательная будет отражать истинные значения напряжений и будет являться характеристикой ДИК с учетом рекомбинационных потерь и вклада в ионизацию δ-электронов. Коэффициент потерь за счет рекомбинации заряда можно представить как
Экспериментальная проверка.
Проверка работы заявляемого устройства и принципов расчета абсолютной величины потока монохроматических заряженных частиц была выполнена на синхроциклотроне ПИЯФ им. Б.П.Константинова РАН для различных интенсивностей и плотностей потоков протонов. Эксперимент (один из многих) заключался в следующем.
1
2
На пучок протонов с поперечным сечением 0,6 см была выставлена ДИК с диаметром отверстия дополнительного электрода D=6 см, межэлектродными зазорами d=2,1 см, d=4,2 см (условие 1 - кривая 22, фиг.5).
1
2
На пучок протонов с поперечным сечением 3 см была выставлена ДИК с диаметром отверстия дополнительного электрода D=7,8 см, межэлектродными зазорами d=1,6 см, d=3,2 см (условие 2 - кривая 23, фиг.5).
8
Поток протонов, измеренный активационным детектором, оставался постоянным в обоих случаях (N=1·10 протон/сек), при этом плотность потока различалась примерно в 25 раз.
8
С учетом поправок на δ-электроны и рекомбинационные потери, вычисленные по формулам (3-6), были определены истинные значения напряжений "V" (прямая 24, фиг.5), которые оказались равными для условий 1 и 2, а, следовательно, в соответствии с формулой (2) значения потоков протонов также равны и составили величину 1·10протон/сек.
1
2
Это подтверждает то, что такая конструкция ДИК (с применением расчетов) позволяет увеличить точность измерения потоков заряженных частиц и проводить при этом измерения потоков в режиме "реального времени" без предварительной градуировки аппаратуры. Все конструкционные данные ДИК (D, d, d), постоянные данные, взятые из справочников, закладываются в программу вычисления величины потока заряженных частиц.
6
8
Из выполненных экспериментальных работ в диапазоне потоков ~10 - 5·10протон/сек было установлено, что погрешность измерения потока протонов определяется в основном погрешностью используемой электронной измерительной аппаратуры и точностью изготовления ДИК и оценена не хуже 5%. Исследования показали, что диапазон измеряемого потока может быть расширен.
ДИК такой конструкции может найти применение на ускорителях монохроматических заряженных частиц промежуточных энергий, где задачи корректных измерений потоков являются актуальными.
Список литературы
1. Richard J.Darrett, Dryon D.Anderson, Harvey D.Willard.
Testing and calibration of Faradey cup and other intensity monitors for external proton
beam at LAMPF.
Nucl. Instrum. and Methods 129 (1975) p.441-445.
2. К.Н.Ермаков, О.В.Лобанов, А.Ф.Найденков, В.С.Олейник, В.В.Пашук. Измерение характеристик импульсных пучков заряженных частиц. Радиационная стойкость электронных систем "Стойкость - 2000". Научно-технический сборник. Выпуск 3. Москва 2000. с.205-206.
3. О.В.Лобанов, В.В.Пашук, К.Н.Ермаков. Устройство для измерения числа частиц в пучках, выводимых из ускорителя. Свидетельство на полезную модель. №18778 от 10.01.2001 г. - прототип.
4. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Том I. Физика атомного ядра. М. Энергоатомиздат. 1983 с.616.
5. L.G.Greenians. TRIUMF Kinematic Handbook, 2 nd Edition, September, 1987.
6. Janni J.F. Atomic Data and Nuclear Data Tables, Vol.27, N. 2/3 March/May 1982.