пороговый газовый черенковский детектор

Формула изобретения

Пороговый газовый черенковский детектор, содержащий газовый радиатор, светособирающую систему и фотоэлектронный преобразователь, отличающийся тем, что в нем радиатор наполнен смесью углекислого газа СО₂ и элегаза SF₆ с соотношением парциальных давлений соответственно от 1:9 до 1:11, а рабочее давление смеси газов определяется выражением

где m - масса заряженной частицы; с - скорость света в вакууме; Е_пор-заданная пороговая энергия регистрируемых частиц; k - постоянная, зависящая от состава смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике регистрации ионизирующих излучений, в частности к пороговым газовым черенковским детекторам.

Пороговый газовый детектор должен регистрировать электроны и другие заряженные частицы, движущиеся со скоростью >0.999 и выше, где есть отношение скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме. При этом уровень люминесценции газа при возбуждении его молекул регистрируемым ионизирующим излучением должен быть минимальным при наименьшем рабочем давлении газа в радиаторе.

Известен пороговый газовый черенковский детектор для регистрации электронов [1]. Этот детектор состоит из черенковского радиатора в виде резервуара с элегазом SF₆, находящимся под давлением, подсоединенной к нему системы светосбора в составе сферического и плоского зеркал, и шести фотоумножителей для регистрации черенковского светового излучения. Электрон, двигаясь в черенковском радиаторе со скоростью большей, чем скорость света в элегазе, излучает световые фотоны, которые попадают на светособирающую систему, где собираются и фокусируются на оптических входах фотоэлектронных умножителей, которые преобразуют световой сигнал в электрический аналог для дальнейшей регистрации. Для регистрации заряженных частиц, движущихся в радиаторе со скоростью 0.999, необходимо, чтобы газ находился в радиаторе под давлением 1.25 атм, что близко к нормальному.

Недостатком устройства является то, что используемый в нем элегаз SF₆ люминесцирует под воздействием радиации, что подтверждается экспериментально зарегистрированным спектром люминесценции элегаза SF₆ при возбуждении альфа-частицами ²³⁸Pu, представленном на фиг.1, что приводит к снижению чувствительности детектора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является пороговый газовый черенковский детектор гамма-излучения [2], состоящий из бериллиевого конвертора, газового черенковского радиатора с углекислым газом CO₂, находящимся под давлением, светособирающей системы, построенной на основе сферического и плоского зеркал, и фотоэлектронного умножителя. Гамма-кванты, падающие на конвертор, преобразуются в нем в комптоновские электроны, которые, двигаясь в черенковском радиаторе, излучают световые кванты черенковского излучения. Эти кванты собираются с помощью сферического и плоского зеркал и фокусируются на оптическом входе фотоэлектронного умножителя. В фотоэлектронном умножителе световой сигнал преобразуется в электрический аналог для дальнейшей регистрации.

Уровень люминесценции углекислого газа СО₂ под воздействием радиации в 1.8 раза меньше, чем у элегаза SF ₆, что подтверждается спектром люминесценции углекислого газа СО₂, приведенным на фиг.2. Однако он остается достаточно большим, и при энергии комптоновского электрона ˜10 МэВ этот уровень соизмерим с уровнем черенковского излучения, что отрицательно сказывается на чувствительности детектора. Кроме того, для достижения порога регистрации частиц, движущихся со скоростью =0.999, давление этого газа должно быть 2,51 атм, что в 2 раза больше, чем у предыдущего детектора.

Недостатком прототипа является невысокая чувствительность детектора из-за наличия люминесценции в газовом радиаторе при высоком рабочем давлении газа.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение чувствительности детектора за счет уменьшении люминесценции в газовом радиаторе и снижение рабочего давления газа в радиаторе.

Технический результат достигается тем, что в пороговом газовом черенковском детекторе, содержащем газовый радиатор, светособирающую систему и фотоэлектронный преобразователь, радиатор наполнен смесью углекислого газа СО₂ и элегаза SF₆ с соотношением парциальных давлений соответственно от 1:9 до 1:11, а рабочее давление смеси газов определяется выражением:

где m - масса заряженной частицы; с - скорость света в вакууме; Е_пор - заданная пороговая энергия регистрируемых частиц; k - постоянная, зависящая от состава смеси.

На фиг.1 приведен спектр люминесценции элегаза SF₆ при возбуждении альфа-частицами ²³⁸Pu, на фиг.2 приведен спектр люминесценции углекислого газа СО₂ при возбуждении альфа-частицами ²³⁸Pu, на фиг.3 приведено схематическое изображение предложенного детектора, на фиг.4 приведен спектр люминесценции смеси углекислого газа СО₂ и элегаза SF₆ при соотношении парциальных давлений 1:9,7 при возбуждении альфа-частицами ²³⁸Pu.

Предлагаемый пороговый газовый черенковский детектор содержит радиатор 1, наполненный находящейся под давлением смесью углекислого газа CO₂ и элегаза SF₆ при соотношении парциальных давлений газов от 1:9 до 1:11, светособирающую систему 2 и фотоэлектронный преобразователь 3, выход которого является выходом детектора.

Детектор работает следующим образом.

На газовый радиатор 1 поступают заряженные частицы. При скорости частиц больше скорости света в газовом радиаторе они излучают световое черенковское излучение. Так как скорость частиц однозначно связана с их энергией, то излучать будут заряженные частицы, энергия которых выше пороговой Е_пор, определяемой по формуле:

где m - масса заряженной частицы; с - скорость света в вакууме; - минимальная относительная скорость частицы, при которой будет наблюдаться черенковское излучение.

Так как в качестве радиатора 1 использован газ, то минимальная относительная скорость частицы связана с давлением газа Р по формуле:

где k - постоянная, зависящая от состава газа. Выразив из (1) и подставив в (2), получаем формулу, связывающую рабочее давление газа в радиаторе с порогом энергии частицы, при которой возникает черенковское излучение, в следующем виде:

Постоянная k, выраженная в 1/атм, находится из следующего равенства:

k=С₁n₁+C₂n ₂-1,

где C₁ - отношение парциального давления углекислого газа CO₂ к полному давлению смеси углекислого газа CO₂ и SF₆ при нормальных условиях; n₁ - показатель преломления углекислого газа СО ₂ при нормальных условиях; С₂ - отношение парциального давления элегаза SF₆ к полному давлению смеси углекислого газа СО₂ и SF₆ при нормальных условиях; n₂ - показатель преломления элегаза SF₆ при нормальных условиях. Величина k для указанного диапазона парциальных давлений будет лежать в границах от 7.6·10 ^-4 1/атм (для соотношений парциальных давлений 1:9) до 7.7·10^-4 1/атм (для соотношений парциальных давлений 1:11). При этом давление смеси газов будет лежать в диапазоне от 1.32 до 1.31 атм, что ниже, чем в прототипе.

Световое черенковское излучение с радиатора 1 собирается и фокусируется светособирающей системой 2 на оптическом входе фотоэлектронного преобразователя 3, который преобразует его в электрический сигнал для дальнейшей регистрации.

В качестве газа черенковского радиатора использована смесь углекислого газа CO₂ и элегаза SF₆ в пропорциях по парциальным давлениям соответственно от 1:9 до 1:11. На фиг.4 приведен полученный экспериментальным путем спектр люминесценции смеси этих газов при соотношении парциальных давлений CO₂ и SF₆ 1:9.7, возникающей под действием альфа-частиц ²³⁸Pu. Уровень сигнала люминесценции указанной смеси газов находится на уровне шумов и значительно меньше, чем у чистых CO₂ и SF₆ в отдельности.

Диапазон оптимальных соотношений парциальных давлений углекислого газа СО₂ и элегаза SF₆ был найден экспериментальным путем. При других соотношениях парциальных давлений появляются дополнительные линии люминесценции, свойственные выбранным газам в смеси.

Отсутствие люминесценции в предлагаемом составе смеси газов CO₂ и SF₆ приводит к уменьшению шумовой составляющей в выходном сигнале черенковского детектора, а значит, чувствительность предлагаемого детектора выше, чем у прототипа. Это увеличение зависит от типа регистрируемого излучения и конкретного типа детектора. В сравнении с прототипом, при регистрации комптоновких электронов с энергией 10 МэВ за счет устранения люминесценции увеличение чувствительности составит почти 2 порядка, как показали расчеты, приведенные в /2/. Кроме того, рабочее давление газовой смеси в радиаторе почти в 2 раза меньше, чем в прототипе.

Источники информации

1. В.П.Зрелов. «Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий». М.: Атомиздат, 1968, с.104.

2. J.M.Mack et al. «Observation of high-energy deuterium-tritium fusion gamma rays using gas Cherenkov detectors». Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 513 (2003) 506-572.