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.
В экспериментальной физике в зависимости от требований к измерениям потоков ионизирующего излучения используется разнообразный набор детекторов [1] (Москва, «Атомиздат», 1980, с.155). Широкое применение нашли ионизационные камеры различных конструктивных построений.
Известен абсолютный монитор на основе двухсекционной плоскопараллельной ионизационной камеры, в которой поток протонов проходит через четыре тонкие алюминиевые фольги-электроды: ПТЭ 2009, №6, с. 5-10. [2]. Межэлектродные расстояния во многом определяют достаточно узкий диапазон измеряемых потоков частиц (два-три порядка). Использование детектора в непосредственной близости от магнитной системы ускорителя становится проблематичным из-за больших размеров прибора, обусловленных необходимостью экранировки от внешних электрических и магнитных полей.
По физическим характеристикам и конструкционным признакам наиболее близкой к заявляемой ионизационной камере (ИК) является ИК, описанная в патенте на полезную модель №57512 [3]. Данная ионизационная камера для измерения потока ионизирующего излучения содержит: заземленный электрод, сигнальные электроды, ступенчатый высоковольтный электрод, охватывающий по периметру сигнальные электроды. Все электроды расположены в одной плоскости и параллельны друг другу. Камера работает следующим образом.
Поток заряженных частиц проходит между высоковольтным и сигнальными электродами, не пересекая их. Электрическое поле в данной камере ориентировано поперек трассы пучка заряженных частиц. Образованные заряженными частицами ионы, двигаясь в электрических полях межэлектродного пространства, индуцируют токи во внешних цепях, которыми заряжаются конденсаторы, подключенные к сигнальным электродам. Величины напряжений на конденсаторах зависят как от числа частиц, так и от рекомбинационных потерь, определяемых напряженностью электрического поля в межэлектродном промежутке каждого сигнального и высоковольтного электродов, т.е. от величины межэлектродного расстояния. Число частиц рассчитывается по одновременно измеренным напряжениям на конденсаторах по разработанному алгоритму.
Основным недостатком данной ИК-прототипа является то, что в случае расположения его рядом с заземленными устройствами или приборами под высоким напряжением, а также в магнитных полях условия работы ИК нарушаются. ИК-прототип создан для работы в идеальных условиях, когда отсутствует влияние внешних электромагнитных факторов на равномерное распределение силовых линий между плоскими электродами. В случае работы ИК - прототипа в реальных условиях (ускоритель заряженных частиц, электромагнитные системы, заземленное оборудование) распределение силовых линий заметно искажается, что приводит к большим погрешностям результатов измерений. Для того, чтобы устранить внешнее воздействие фоновых полей, необходимо увеличить размеры плоских электродов и выполнить экранировку прибора. Для экранировки ИК от внешних электрических и сильных магнитных полей потребуется размещать ИК в корпусе значительных размеров, что приводит к ограничению пространства для объектов облучения. Следует также учитывать и то обстоятельство, что прибор больших габаритов невозможно разместить в ограниченном пространстве вблизи магнита синхроциклотрона. Кроме того, прибор не работает в широком диапазоне потоков протонов.
Задачей предлагаемого устройства является создание компактной ионизационной камеры, работающей в сильных магнитных полях в непосредственной близости от магнитной системы синхроциклотрона, обеспечение измерений в широком диапазоне потоков протонов.
Технический эффект заключается в подавлении влияния внешнего магнитного поля синхроциклотрона, расширении диапазона измеряемых величин потоков, уменьшении габаритов устройства.
Технический эффект достигается тем, что в известной ионизационной камере для измерения потока заряженных частиц, содержащей высоковольтный электрод, два сигнальных электрода, расположенных друг за другом по ходу пучка, причем все электроды отделены друг от друга изолирующими зазорами, новым является то, что высоковольтный электрод и два сигнальных электрода выполнены в форме полуколец одинакового диаметра, сигнальные электроды имеют разную ширину, причем изгибы полуколец сигнальных электродов направлены диаметрально противоположно изгибу полукольца высоковольтного электрода, а вся электродная система помещена в заземленный цилиндрический корпус, выполненный из магнитно-мягкого сплава.
На фиг.1 представлено распределение силовых линий в ионизационной камере с плоскими электродами: где 1 - высоковольтный электрод; 2 - протонный пучок; 3 - силовые линии электрического поля; 4 - сигнальный электрод; E - источник высокого напряжения; U - измеряемое напряжение на конденсаторе; C - конденсатор.
На фиг. 2 показано распределение силовых линий в ионизационной камере с плоскими электродами при размещении их в заземленных экранах (возможный вариант прототипа):
а) минимальные размеры экрана, где: 1 - высоковольтный электрод; 3 - силовые линии электрического поля; 4 - сигнальный электрод; 5 - контур протонного пучка; 6 - заземленный цилиндрический корпус
б) промежуточные размеры экрана, где: 1 - высоковольтный электрод; 2 - протонный пучок; 3 - силовые линии электрического поля; 4 - сигнальный электрод; 5 - контур протонного пучка; 6 - заземленный цилиндрический корпус.
На фиг. 3 показано распределение силовых линий в ионизационной камере с плоскими электродами при размещении их в заземленном экране оптимальных размеров, позволяющем избежать потерь образованных ионов за счет уменьшения вероятности попадания их на экран (ситуация, когда практически все силовые линии, исходящие от сигнального электрода «замыкаются» на высоковольтном электроде); где: 3 - силовые линии электрического поля между высоковольтным 1 и сигнальным электродом 4; d - межэлектродное расстояние; β - длина граничной силовой линии, равной d.
На фиг. 4 представлен вид заявляемой ИК в поперечном сечении, где: 1 - высоковольтный электрод; 2 - протонный пучок; 3 - силовые линии электрического поля; 4 - сигнальный электрод; 6 - заземленный цилиндрический экранирующий корпус; Δ - зазор между сигнальным 4 и высоковольтным 1 электродами; Е - источник высокого напряжения; U - измеряемое напряжение на конденсаторе; C - конденсатор.
1
2
1
2
На фиг. 5 представлен вид заявляемой ИК в продольном сечении, где: 1 - высоковольтный электрод; 2 - протонный пучок; 4(I) - узкий сигнальный электрод; 4(II) - широкий сигнальный электрод; 6- заземленный цилиндрический экранирующий корпус; 7 - переключатель диапазонов измерения потоков; А - положение переключателя в режиме измерения малых потоков протонов (широкий сигнальный электрод); Б - положение переключателя в режиме измерения больших потоков протонов (узкий сигнальный электрод); U - измеряемое напряжение; С - конденсатор; L - ширина сигнального электрода для измерения больших потоков протонов; L - ширина сигнального электрода для измерения малых потоков протонов; L - суммарная ширина электродов (L+L); 5 - зазор между широким и узким электродами; d - межэлектродное расстояние в средней части электродов (диаметр полуколец); S - диаметр поперечного сечения пучка; D - диаметр корпуса камеры; Z - длина ИК.
На фиг. 6 представлена зависимость измеренного напряжения на конденсаторе от величины высокого напряжения при различных потоках протонов.
Работай выбор режима работы заявляемой ИК
Работа заявляемого устройства описывается в сравнении с тем, как распределяются силовые линии электрического поля в заявляемом устройстве и прототипе.
При прохождении пучка протонов между высоковольтным (1) и сигнальным электродом (4) ИК-прототипа (фиг. 1) в электрическом поле, ориентированном поперек трассы пучка, в процессе ионизации воздуха образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Перемещающиеся ионы по силовым линиям электрического поля (3) индуцируют ток во внешней цепи, которым заряжается конденсатор, подсоединенный к сигнальному электроду 4 (фиг. 1).
Если представить ИК электрической цепью, заменив ионизованный пучком протонов воздух в межэлектродном пространстве ИК эквивалентным сопротивлением R, то напряжение на конденсаторе С, заряжаемом индукционным током внешней цепи, равным ионному току камеры, за время интегрирования Т, равно:
∗
где U - напряжение высоковольтного источника напряжения.
∗
При условии, что напряжение на конденсаторе U<0,01U, можно записать:
где Q - заряд, образованный пучком протонов в объеме ИК за время интегрирования; N - число протонов, прошедших через ИК; n - число пар ионов, образованных одним протоном вдоль трассы пучка на ширине электродов L; q - заряд электрона. Учитывая, что число пар ионов, образованных протоном на длине пути, равной ширине сигнального электрода L, определяется как:
,
а также тот факт, что при движении ионов в электрическом поле ИК, ориентированном поперек трассы пучка, часть из них будет потеряна за счет рекомбинаций, уровень измеряемого напряжения можно представить как
∗
где: (-1/p-dE/dx) - удельные ионизационные потери протона; ρ - плотность воздуха; ω - энергия, затрачиваемая протоном на образование одной пары ионов; L - ширина сигнального электрода; λ - коэффициент потерь образованных пар ионов за счет рекомбинаций, зависящий от напряженности электрического поля (U/d - напряжение высоковольтного источника питания, деленное на межэлектродное расстояние) и плотности потока протонов пучка.
Соотношение (3) получено для случая, когда отсутствует воздействие на прибор (прототип) внешних электрических и магнитных полей, приводящих к искажению распределения силовых линий в измерительном приборе.
На самом деле при проведении физических испытаний на ускорителе заряженных частиц такая идеальная ситуация встречается крайне редко, поскольку использования магнитных элементов транспортировки частиц, заземленных устройств и приборов, высоковольтных источников напряжения практически не удается избежать. Казалось бы наиболее простым способом устранения помех является введение заземляющего экрана. Однако, как видно из фиг. 2а, размещение ИК-прототипа в заземленный экран приводит к тому, что все силовые линии замкнутся на боковые стенки экрана, и заряд на сигнальном электроде, обусловленный движением ионов, будет практически равным нулю. Поэтому на фиг. 2а изображен только контур пучка протонов. Чтобы избежать этого эффекта, в ИК-прототипе придется не просто сделать экранирующее устройство с большими габаритами (фиг. 2б) (показано, что регистрируется лишь центральная часть пучка), но и увеличить размеры высоковольтного электрода с тем, чтобы силовые линии в области сечения протонного пучка замыкались только на высоковольтный электрод (фиг. 3) (в этом случае регистрируется весь протонный пучок). Условием выбора длины одной из сторон экрана является соотношение d<β (фиг. 3). Такие изменения в ИК-прототипе приводят к существенному увеличению габаритов прибора, что затрудняет его применение в условиях ограниченного пространства, особенно вблизи магнитной системы ускорителя.
В заявляемом устройстве предложено другое решение проблемы подавления влияния магнитного поля и создания ИК-камеры с экранным устройством, но более компактной для работы в условиях значительных электромагнитных наводок. Плоские электроды (высоковольтный электрод и сигнальные электроды) заменены на полукольца одинакового диаметра, причем сигнальные электроды, имеющие разную ширину по ходу пучка протонов, расположены диаметрально противоположно высоковольтному электроду (фиг. 4, 5). Вся электродная система помещена в заземленный цилиндрический корпус (экранное устройство), выполненный из магнитомягкого железа и пермаллоя. Такая конструкция модели создает «замкнутую» систему электрических полей ИК с распределением силовых линий исключительно внутри прибора, обеспечивающим практически полный сбор заряда (за исключением рекомбинационных потерь). Это дает возможность в полной мере использовать полученное ранее соотношение (3). позволяющее определить поток протонов пучка, проходящего через ИК:
-1
-1
где K=[(-1/ρ·dE/dx)·ρ·ω·q] - постоянный множитель.
Из выражения (4) видно, что абсолютное измерение потоков протонов не может быть выполнено, поскольку не известен коэффициент потерь образованных пар ионов за счет рекомбинации λ. Однако относительные измерения потока протонов могут быть проведены в широком диапазоне варьированием параметров монитора: емкости конденсатора C, ширины сигнального электрода L вдоль направления пучка, времени интегрирования T и напряжения на высоковольтном электроде U∗, во многом определяющего коэффициент рекомбинации λ.
Ионизационная камера может быть отградуирован образцовым монитором, например, активационным детектором или монитором с двухсекционной ионизационной камерой [2].
Пример реализации заявляемой ионизационной камеры.
Для защиты от внешних магнитных и электрических полей электродная система ИК помещена в заземленный корпус цилиндрической формы, выполненный из магнитно-мягкого сплава. Для установки камеры на трассу пучка по торцам корпуса сделаны котировочные окна. Сигнальные электроды выполнены из медной фольги шириной 5 см и 0,1 см и разделены между собой зазорами 0,1 см. Ширина высоковольтного электрода - 13 см., диаметр полуколец высоковольтного и сигнального электродов - 8 см. Внешний диаметр корпуса ИК - 10 см. Длина корпуса ИК - 14 см.
-6
7
9
-1
Данный вариант ИК испытывался на пучке протонов с энергией 1 ГэВ синхроциклотрона ПИЯФ. Экспериментально получена зависимость измеренного напряжения на конденсаторе С, подключенном к сигнальным электродам, от напряжения на высоковольтном электроде. Такая зависимость представлена на фиг. 6 (C=0,048·10 Ф) при потоках протонов N в интервале 6,3·10÷3,7·10 с. Время интегрирования Т=20 с, суммарная ширина электродов L=5,1 см.
8
Зависимость (фиг. 6) отражает чувствительность ИК в выбранном интервале потоков протонов при различных напряжениях на высоковольтном электроде и позволяет на основании соотношения (4) прогнозировать диапазон измеряемых потоков протонов при изменении рабочих параметров заявляемой ИК (C,T,L и U∗). Проведена также оценка величины измеренного напряжения на конденсаторе С в зависимости от ширины сигнального электрода L: чувствительность ИК с сигнальным электродом шириной 5 см превышает чувствительность ИК с сигнальным электродом 0,1 см немногим более, чем в 50 раз с погрешностью измерения 20% при потоке протонов 3,4.10 р/с.
Достоинством заявляемой ионизационной камеры с электродами кольцевой формы, заключенными в заземленный цилиндрический корпус, выполненный из магнитно-мягкого сплава (по сравнению с ионизационной камерой-прототипом с плоскопараллельными электродами), - это сочетание малых габаритов с возможностью подавления влияния внешнего магнитного поля синхроциклотрона, а также расширение диапазона измеряемых величин потоков. Это преимущество позволит располагать ИК в непосредственной близости от магнита синхроциклотрона.
7
12
Несложное переключение ширины сигнальных электродов, подбор по номиналу конденсаторов и времени интегрирования, выбор высокого напряжения позволяют на основании экспериментальных данных, полученных с использованием представленной ИК, охватить диапазон измеряемых потоков протонов 10-10 1/с.
Заявляемая ионизационная камера может найти применение на ускорителях заряженных частиц в качестве монитора пучка, в том числе и вблизи сильных электрических и магнитных полей. Также следует отметить, что измерение потоков протонов проводится без влияния самого прибора на пучок протонов, что важно при энергиях протонов ниже 100 МэВ. Градуировка ИК выполняется абсолютным монитором, например, методом наведенной активности или монитором с двухсекционной камерой [2].
Литература
1. В.А. Москалев, Г.И. Сергеев, В.Г. Шестаков. Измерение параметров пучков заряженных частиц. Москва, «Атомиздат», 1980, с. 155.
2. Иванов Н.А., Лобанов О.В., Пашук В.В. Абсолютный ионизационный монитор пучков протонов. ПТЭ, 2009, №6, с. 5-10.
3. Патент на полезную модель №57512 «Ионизационная камера» - прототип.