Устройство для регистрации заряженных частиц

Полезная модель относится к области фотоники, в частности к устройствам, предназначенным для детектирования заряженных частиц.
Излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ) возникает при движении заряженной частицы, двигающейся в прозрачной среде со скоростью превышающую фазовую скорость распространения света в данной среде. При движении заряженной частицы происходит кратковременная поляризация атомов среды, расположенные на пути движущейся заряженной частицы. При релаксации атомов из поляризованного состояния возникает ИВЧ. На основе эффекта Вавилова-Черенкова работают так называемые "черенковские детекторы", которые широко используются в таких областях как ядерная физика, физика высоких энергий и астрофизика. Вещества, в которых возникает ИВЧ, называют радиаторами. В качестве радиаторов в черенковском детекторе могут быть использованы различные прозрачные вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии. ИВЧ носит пороговый характер, т.е. возникает при энергиях заряженных частиц выше определенной величины. Чем выше показатель преломления вещества, тем ниже пороговая энергия для возникновения в нем ИВЧ. Известно, что наибольшие показатели преломления имеют твердотельные радиаторы, среди них одним из самых высоких показателей преломления (2,42) обладает алмаз, поэтому детектировать заряженной частицы посредством регистрации ИВЧ возможно уже при энергии 50 кэВ и выше.
Кроме того, при прохождении высокоэнергетической частицы через материал, в нем создаются радиационные дефекты. При длительном воздействии высокоэнергетических частиц материал начинает изменять свои свойства и разрушаться. Поэтому для регистрации высокоэнергетических частиц необходимо использовать материалы, обладающие высокой радиационной стойкостью. Большинство применяемых твердотельных радиаторов (кварц, сапфир, алюмонитрид, акрил и т.д.), имеют относительно низкую радиационную стойкость, что ограничивает ресурс работы данных материалов. Среди твердотельных радиаторов алмаз отличается высокой радиационной стойкостью. Кроме того, алмаз имеет высокую теплопроводность и химическую инертность, что является немаловажным фактором для применения этого материала в экстремальных условиях космоса.
v
u
u
c
n
с
n
v
c
n
В известной статье описаны детекторы (http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/cherenk.htm), принцип работы которых основан на регистрации излучения, открытого П.А. Черенковым в 1934 г. и возникающего при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью  большей скорости света  в этой среде. Поскольку  = /, где  – скорость света в вакууме, а  – показатель преломления среды, то условие возникновения черенковского излучения имеет вид  > /.
В этой статье приведены общие принципы и основные виды детекторов. Из твердотельных радиаторов здесь упоминаются радиаторы из NaCl с малым показателем преломления (1,33), волноводный радиатор и радиатор из аэрогеля. Также упоминается в качестве радиатора нитрид алюминия (AlN), но данный материал, как и NaCl обладает низкой, относительно алмаза, радиационной устойчивостью. Аэрогель, благодаря своим свойствам, является перспективным материалом не только для научных целей (https://academcity.org/content/unikalnyy-aerogel-ot-novosibirskih-yadershchikov), но может использоваться как эффективный звуко- и теплоизолятор, но пока в силу дороговизны и сложности производства не получил широкого распространения. Стоимость аэрогеля, используемого в черенковских детекторах, несколько тысяч долларов за литр, то есть он примерно в 10 тысяч раз дороже, чем, например, нефть.
Известно устройство для измерения радиоактивного излучения в жидкости, содержащее измерительную камеру с входом и выходом для жидкости, а также фотоумножитель, соединенный с измерительной камерой с целью измерения черенковского излучения, генерируемого в жидкости, в которой стенки измерительной камеры снабжены относительно толстым слоем оптически прозрачного материала, что приводит к увеличению энергетического разрешения устройства (патент US 3560741, G01T1/22, опубл. 02.02.1971 г.).
Недостатком известного устройства является использование в качестве радиатора жидкости, что существенно увеличивает массогабаритные характеристики устройства.
В статье (https://en.wikipedia.org/wiki/Detection_of_internally_reflected_
Cherenkov_light) говорится об использовании полного внутреннего отражения черенковского излучения в твердотельных радиаторах. Здесь предлагается конструкция кольцевого черенковского детектора, в котором излучение Вавилова-Черенкова, создаваемое заряженной частицей, пролетающей через твердотельный радиатор, в результате явления полного внутреннего отражения в радиаторе, сохраняет угловую информацию до тех пор, пока он не достигнет световых датчиков по периметру детектора.
Датчик может фиксировать высокоэнергетические частицы, влетающие в твердотельный радиатор только под определенными углами и только с определенными энергиями, такими, что возникающее излучение Вавилова-Черенкова могло бы распространяться по радиатору за счет явления полного внутреннего отражения. Если же регистрируемая частица будет иметь отличные от необходимых угол и/или энергию, то создаваемое ею излучение не будет удовлетворять явлению полного внутреннего отражения, выйдет за пределы световода-радиатора не достигнув датчиков света.
Известен сферический детектор Черенкова, включающий в себя сферу из УФ-прозрачного материала (патент US 8159669, G01N 15/02, опубл. 02.06.2011 г.), в котором в качестве материала радиатора предлагается использовать сапфир, кварц и акрил. В патенте используют один детектирующий материал в виде сферы, к которому могут подключаться множество фотоприемников, в качестве основных регистрирующих устройств предлагается использовать фотодиоды или фото умножители, как альтернативу.
Недостатком являются как предлагаемые материалы, так и конфигурация радиатора. Радиатор сферического вида имеет смысл создавать только в том случае, если количество фотоприемников больше одного, иначе рациональнее изготовить радиатор в виде цилиндра, пластины и т.п. Если же фотоприемников больше одного, тогда для размещения фотоприемников и находящихся напротив них входных окон необходимо увеличивать площадь, и соответственно объем сферы радиатора. Что приводит к необходимости повышения качества изготовления поверхности сферы и качеству материала в большем объеме. Если в случае использования кварца или акрила такое на сегодняшний день достаточно просто, то в случае сапфира, пока технически сложно выполнимо. Причем необходимо учитывать, что все предлагаемые материалы менее радиационностойкие и имеют меньший показатель преломления по сравнению с алмазом.
Известно описание черенковского датчика построенного на базе алмаза, и предназначенного для регистрации заряженных частиц с высокими энергиями, от 84 кэВ и выше (L. Jakubowski, M. J. Sadowski, J. Zebrowski, M. Rabinski, K. Malinowski, R. Mirowski, Ph. Lotte, J. Gunn, J-Y. Pascal, G. Colledani, V. Basiuk, M. Goniche, and M. Lipa , "Cherenkov-type diamond detectors for measurements of fast electrons in the TORE-SUPRA tokamak", Review of Scientific Instruments 81, 013504 (2010) https://doi.org/10.1063/1.3280221), выбранного в качестве прототипа. Устройство относится к так называемым датчикам порогового типа. То есть с помощью нанесенного на поверхность радиатора отсекаются частицы меньше определенного уровня энергии (порога). В описанном устройстве используются четыре алмазных радиатора с нанесенным на поверхность слоем молибдена, толщиной 10, 20, 50 и 100 мкм, что позволяет отсекать частицы с энергиями меньше 84, 109, 173 и 259 кэВ соответственно. Свойство излучения Вавилова-Черенкова распространятся под определенными углами, зависящими от энергии заряженных частиц в данном устройстве, не используется. Недостатком черенковских датчиков порогового типа является сложность интерпретации полученных данных. В приведенном выше устройстве, с радиатора, на который нанесено 10 мкм молибдена, будет зарегистрировано ИВЧ от всех частиц с энергиями от 84 кэВ и выше, со второго радиатора (20 мкм молибдена) будет получено ИВЧ от всех частиц с энергиями от 109 кэВ и выше и т.д. То есть данный датчик может работать только в случае однородного пучка заряженных частиц. Чтобы компенсировать этот недостаток авторы расположили радиаторы непосредственно друг над другом, что привело к необходимости сложной огранки кристаллов. Вторым недостатком данного устройства является низкая разрешающая способность, поскольку используются только четыре радиатора.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в создании устройства для регистрации заряженных частиц с параметрами, соответствующими частицам солнечного ветра с алмазными радиаторами, обладающими высокой радиационной стойкостью и низкой пороговой энергией возникновения в нем ИВЧ, что позволяет регистрировать заряженные частицы в более широком диапазоне энергий.
Поставленная задача решается тем, что устройство для регистрации заряженных частиц, содержит в едином корпусе как минимум один детектирующий модуль, который представляет собой алюминиевую пластину, в которой имеется два прямых канала, входной коллимирующий канал и канал коллимирующий излучение Вавилова-Черенкова, расположенные в одной плоскости под углом друг к другу и соединенные между собой в центре пластины, с наличием прорези в месте пересечения каналов, c возможностью установки радиатора, плоскость которой перпендикулярна оси канала коллимирующего излучение Вавилова-Черенкова, причем в этот канал установлена собирающая линза, в фокус которой установлен фотоприемник.
Детектирующий модуль расположен в корпусе устройства таким образом, что отверстия входного канала направлены в сторону источника заряженных частиц. Длина обоих каналов должна превышать их диаметр. В качестве радиатора используют алмазную пластину, размеры которой превышают диаметры каналов. В качестве радиатора используют алмазную пластину, с низкой интенсивностью люминесценции в ультрафиолетовой и видимой областях спектра излучения в диапазоне температур +/-100°С. Алмазная пластина представляет собой тонкую пластину, две наибольшие грани которой плоскопараллельны. Одна большая грань алмазных пластин, примыкающих к входному коллимирующему каналу имеет металлическое напыление толщиной, обеспечивающей оптическую непрозрачность.
Устройство основано на использовании эффекта Вавилова-Черенкова, которое заключается в том, что заряженные частицы, обладающие скоростью большей чем скорость света в диэлектрической среде, пролетая через эту среду поляризуют атомы вдоль своей траектории. Возвращаясь в основное состояние атомы переизлучают энергию, полученную от заряженной частицы в виде фотонов. В заявленной полезной модели в качестве радиатора используют одинаковые пластинки алмаза, выращенные методом газохимического осаждения (ГХО). Причем при синтезе алмазов добавляется примесь азота определенной концентрации для глушения экситонного излучения возникающего в чистых алмазах при их облучении заряженными частицами, и мешающего регистрации ИВЧ. Наряду с высокими показателями радиационной устойчивости и механической прочности алмаз обладает одним из самых высоких показателей преломления среди прозрачных в видимом диапазоне материалов (n=2,42).
На рисунке 1 представлен общий вид заявленной полезной модели (а - вид со стороны фотоприемника, б - вид со стороны входного коллимирующего канала).
На рисунке 2 представлен детектирующий модуль в разрезе. Заряженные частицы попадают в детектирующий модуль 1 через входной коллимирующий канал 2. Поскольку диаметр канала много меньше его длинны, на алмазный радиатор 3, закрепленный в прорези держателем 4, попадает практически параллельный пучок заряженных частиц. В результате взаимодействия частиц с алмазной решёткой радиатора формируется излучение Вавилова-Черенкова, распространяющееся в пределах конуса, в диапазоне углов между ~ 10° и 65° относительно оси входного канала. Для обеспечения отсутствия влияния оптического излучения на поверхность алмазного радиатора, обращенную к входному каналу, наносится слой алюминия достаточной для этого толщины. Как уже говорилось ранее, угол распространения ИВЧ зависит от энергии частицы, поэтому для регистрации количества частиц с определенной энергией (см. таблица 1) необходимо соответственно менять угол между каналами, как показано на рисунке. Излучение Вавилова-Черенкова распространяется по коллимирующему каналу 5 и попадает в фотодетектор 6, где фокусируется линзой 7 на фотоприемник 8. Чтобы в процессе эксплуатации алмазный радиатор не сместился и не выпал из детектирующего модуля держатель 4 фиксируется с помощью винта 9. Для крепления, в детектирующем модуле предусмотрены крепежные отверстия 10.
В случае необходимости регистрации заряженных частиц с различными энергиями устанавливается необходимое число детектирующих модулей, имеющих соответствующие углы между коллимирующими каналами.
В таблице 1 показаны результаты расчетов диапазонов энергий частиц, которые можно зарегистрировать детектирующими модулями в случае диаметра каналов 2 мм и длинной 2 см, в зависимости от угла между каналами. Подбирая геометрические параметры каналов, величины углов между ними и увеличивая количество детектирующих модулей можно получить сплошной спектр энергии заряженных частиц с высоким разрешением.
Таблица 1
Угол м/у каналами
Мин. энергия, кэВ
Макс. энергия, кэВ
10
51,4
52,8
15
53,3
55,6
20
56,5
59,9
25
61,1
65,7
30
67,5
74,1
35
76,5
86,0
40
89,5
103,6
45
108,9
130,9
50
139,6
177,5
55
193,5
271,3
60
308,9
555,8