Ионизационная камера

Полезная модель относится к устройствам для измерения потока заряженных частиц, а именно, к ионизационным камерам. Ионизационная камера (ИК) содержит высоковольтный электрод, сигнальные электроды, расположенные друг за другом по ходу пучка на диэлектрической панели, заземленный электрод, расположенный на той же диэлектрической панели. Заземленный электрод охватывает сигнальные электроды по их наружной части. Сигнальные электроды отделены друг от друга изолирующим зазором. Высоковольтный электрод выполнен прямым и расположен под углом к плоскости сигнальных электродов с возможностью регулировки угла. Технический эффект: ИК обеспечивает уменьшение погрешности измерения потока протонов, регулировку чувствительности ИК, уменьшение габаритов ИК.

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.

Известна двухсекционная ионизационная камера с воздушным наполнением используемая в абсолютном мониторе пучка протонов [1] для измерения числа частиц в режиме реального времени (патент на полезную модель 54462).

Камера содержит два высоковольтных электрода, два сигнальных электрода, расположенных между высоковольтными электродами, и два заземленных электрода, расположенные в непосредственной близости перед сигнальными электродами, с отверстиями по центру для проводки пучка. Расстояния между высоковольтным и сигнальным электродами в каждой секции данной камеры различны по величине.

Измерение абсолютной величины потока протонов выполняется на основании одновременно измеренных напряжений на конденсаторах, включенных в цепи двух сигнальных электродов. Пучок протонов, проходя через все электроды, ионизирует воздух. Индукционным током внешней цепи, равным ионному току камеры, заряжаются конденсаторы. Кроме того конденсаторы заряжаются током, образованным -электронами, которые выбиваются из сигнальных и высоковольтных электродов. Поэтому при измерении величины потока протонов необходимо учесть вклад в общую ионизацию -электронов. Это можно сделать только при использовании камеры в отсутствии магнитного поля.

В некоторых случаях, например, при мониторировании пучков частиц с низкими энергиями такая конструкция камеры может оказаться неприемлемой из-за уширения пучка, обусловленного кулоновским рассеянием первичных частиц на ядрах атомов вещества электродов.

По физическим характеристикам и конструкционным признакам наиболее близкой к заявляемой ионизационной камере (ИК) является ИК для измерения потока ионизирующего излучения с поперечным электрическим полем относительно трассы пучка [2] (патент на полезную модель 57512).

Камера содержит: высоковольтный электрод, сигнальные электроды (не менее трех), расположенные на диэлектрической панели последовательно друг за другом по ходу пучка, заземленный электрод, расположенный на той же диэлектрической панели. Каждый сигнальный электрод по периметру имеет изолирующий зазор и окружен по всему периметру заземленным электродом, т.е. они разделены между собой заземленным электродом. Высоковольтный электрод выполнен ступенчатым. Плоскости ступенек высоковольтного электрода расположены параллельно сигнальным электродам, а расстояния между каждой парой плоскостей сигнального и высоковольтного электродов различны.

Работает камера 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, проходящих через камеру.

Ионы, образованные первичными частицами в однородных областях электрических полей, собираются на сигнальных электродах; в областях с неоднородными полями - на заземленных электродах.

Образованные заряженными частицами ионы, двигаясь в электрических полях сигнальных электродов, индуцируют токи во внешних цепях, которыми заряжаются конденсаторы, подключенные к сигнальным электродам. Величины напряжений на конденсаторах зависят как от числа частиц в потоке, так и от рекомбинационных потерь, определяемых напряженностью электрического поля в области каждого сигнального электрода, т.е. от величины межэлектродного расстояния между сигнальным и высоковольтным электродами.

Число частиц в потоке рассчитывается по одновременно измеренным напряжениям на конденсаторах при известной ширине пучка протонов по алгоритму.

Такая конструкция камеры необходима, чтобы уменьшить взаимное влияние электрических полей каждой пары высоковольтного и сигнального электродов на уровень измеряемого сигнала, т.е. обеспечить создание однородного электрического поля. Неоднородность поля, характеризуемая искривленными силовыми линиями и их неравномерной плотностью, возникает из-за разных расстояний между соседними сигнальными электродами и соответствующими плоскостями ступенчатого высоковольтного электрода

Ионизационная камера - прототип имеет ряд недостатков.

1. Недостатком ИК являются жесткие требования, предъявляемые к точности межэлектродных расстояний между сигнальным электродом и соответствующей ступенью высоковольтного электрода. Эти требования объясняются следующими обстоятельствами.

Измеренные напряжения на конденсаторах, не равны между собой, так как рекомбинационные потери заряда определяются напряженностью электрического поля, т.е. зависят от величины межэлектродного расстояния. Величины межэлектродных расстояний вводятся в алгоритм вычисления потока протонов.

Зависимость измеряемого напряжения от величины межэлектродного расстояния представлена экспоненциальной функцией, показателем которой является межэлектродное расстояние.

Компьютерное моделирование показало, что конструкционные допуски величин межэлектродных расстояний в 1%, приводят к погрешности измерения потока протонов более (до 20%).

2. Данная конструкция ИК не позволяет в процессе работы оперативно изменять конструкционные характеристики устройства, тем самым регулировать чувствительность ИК при изменении параметров пучка.

3. Наличие разделительных заземленных электродов между соседними сигнальными электродами (для создания однородных электрических полей в области каждого сигнального электрода) увеличивает размеры камеры вдоль трассы пучка, т.е., уменьшается пространство, в котором могут быть размещены объекты облучения.

Задачей предлагаемой полезной модели является создании ИК, обеспечивающей уменьшение погрешности измерения потока протонов, регулировку чувствительности ИК, уменьшение габаритов ИК вдоль трассы пучка при сохранении возможности работы устройства в режиме реального времени и измерении абсолютного значения числа частиц в пучке.

Поставленная задача достигается тем, что в известной ионизационной камере для измерения потока заряженных частиц, включающей высоковольтный электрод, сигнальные электроды, расположенные друг за другом по ходу пучка на диэлектрической панели, заземленный электрод, расположенный на той же диэлектрической панели и охватывающий сигнальные электроды, причем каждый сигнальный электрод отделен от заземленного электрода изолирующим зазором, новым является то, что заземленный электрод охватывает сигнальные электроды только по их наружной части, и сигнальные электроды отделены друг от друга изолирующим зазором, а высоковольтный электрод выполнен прямым и расположен под углом к плоскости сигнальных электродов с возможностью регулировки угла.

Решение поставленных задач осуществляется за счет:

1. другой формы высоковольтного электрода (электрод прямой, плоский), расположенного в плоскости, ориентированной под некоторым углом к плоскости сигнальных электродов. В прототипе высоковольтный электрод выполнен ступенчатой формы;

2. отсутствия заземленных электродов между соседними сигнальными электродами,

3. возможности изменения угла между плоскостями высоковольтного и сигнальных электродов.

На фиг.1 представлен эскизный рисунок заявляемой ионизационной камеры, где: 1, 2, 3, 4 - сигнальные электроды; 5 - заземленный электрод; 6 - высоковольтный электрод; 7 - изолирующие зазоры между сигнальными электродами; 8 - изолирующие зазоры между сигнальными и заземленным электродами по наружной части сигнальных электродов; 9 - диэлектрическая панель: D - поперечное сечение пучка протонов; U* - источник высокого напряжения; U₁, U₂, U₃ и U₄ - измеряемые напряжения; С₁, С ₂, С₃ и С₄ - конденсаторы; - угол между высоковольтным и сигнальными электродами; А - сечение диэлектрической панели с сигнальными электродами.

На фиг.2 показана иллюстрация силовых линий электрического поля в камере, где: 1, 2, 3, 4 - сигнальный электрод; 5 - заземленный электрод; 6 - высоковольтный электрод; 10 - силовые линии электрического поля между высоковольтным и сигнальными электродами; L - длина сигнального электрода вдоль трассы пучка частиц; - угол между высоковольтным и сигнальными электродами.

На фиг.3 представлена иллюстрация межэлектродного расстояния между высоковольтным и одним из сигнальных электродов в камере, где: L - длина сигнального электрода вдоль трассы пучка частиц; d_k - межэлектродное расстояние; h_k - перпендикуляр, восстановленный из центра сигнального электрода до пересечения с высоковольтным электродом; R_k - радиус кривизны; k - индекс номера сигнального электрода.

На фиг.4 представлена экспериментально снятая зависимость напряжения U от d (межэлектродного расстояния) и вычисляемое значение напряжения V от d с поправкой на рекомбинационные потери; где: 11 - аппроксимация измеренных напряжений; 12 - кривая, построенная на основании зависимости 11; 13 - касательная, построенная к зависимости 12 в точке d₀=0.

Сигнальные электроды 1, 2, 3, 4 расположены на диэлектрической панели 9. Сигнальные электроды окружены изолирующим зазором: 8 - по наружной части, 7 - изолирующий зазор, разделяющий сигнальные электроды друг от друга. На диэлектрической панели 9 расположен заземленный электрод 5. Наружная часть сигнальных электродов окружена по периметру заземленным электродом 5. Высоковольтный электрод прямой, расположен под углом к плоскости сигнальных электродов и выполнен с возможностью изменения угла наклона.

Работа устройства.

При прохождении потока протонов между высоковольтным электродом 6 и вдоль всех сигнальных электродов 1, 2, 3, 4, разделенных между собой узкими изолирующими зазорами 7 (фиг.1), в процессе ионизации воздуха образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Перемещающиеся ионы по силовым линиям электрического поля индуцируют токи во внешних цепях, которыми заряжаются конденсаторы, подсоединенные к сигнальным электродам. Измеренные одновременно напряжения U₁, U₂, U₃ и U₄ на конденсаторах С₁, С₂, С₃ и C₄ позволяют по алгоритму вычислить число протонов N, прошедших через камеру. Заземленный электрод 5, расположенный по наружной части периметра сигнальных электродов и отделенный от сигнальных электродов изолирующими зазорами 8, заземлен и предназначен для формирования электрического поля в пределах, ограниченных сигнальными электродами.

Измеряемые напряжения на конденсаторах, равных по номиналу, определяются как

где Q - заряд, образованный в объеме пучка, ограниченном границами электрического поля между каждым сигнальным электродом и высоковольтным электродом; _k - коэффициент потерь заряда за счет рекомбинаций, зависящий от напряженности поля (U*/d_k - значение высокого напряжения, деленное на величину межэлектродного расстояния); n - число ионов, образованных одним протоном на длине электрода L (фиг.2); q - заряд электрона; k - индекс сигнального электрода.

Из выражения (1) следует, что измеренное число протонов равно:

где (dE_p/dx)} - удельные ионизационные потери протона; - плотность воздуха; - энергия, затрачиваемая протоном на образование одной пары ионов; V_k=U_k/_k - напряжение на конденсаторе с учетом поправки на рекомбинационные потери; К - коэффициент, в который вошли постоянные величины.

Из электростатики известно, что силовые линии электрического поля 10, перпендикулярные к плоскости высоковольтного электрода 6 и сигнальных электродов 1, 2, 3, 4, расположенных под углом относительно высоковольтного электрода, принимают форму дуги. Области измеряемых зарядов определяются длиной сигнальных, электродов вдоль трассы пучка, равных по величине L, и границами силовых линий 10 соответствующих электродов. В такой конструкции ИК взаимное влияние соседних сигнальных электродов друг на друга исключено, так как граничные силовые линии электрического поля одного электрода являются силовыми линиями соседнего с ним электрода.

В заявляемой ионизационной камере, высоковольтный электрод выполнен прямым и расположен под углом к плоскости сигнальных электродов, отсутствуют разделительные заземленные электроды между сигнальными электродами а, следовательно, отсутствует неравномерная плотность электрических силовых линий. Кроме того, уменьшен размер ионизационной камеры вдоль пучка, освобождается место для объектов облучения, т.е. улучшаются технические возможности использования камеры.

При таком конструктивном решении отпадает требование к точной установке межэлектродных расстояний (сигнальный электрод и высоковольтный электрод). В результате устраняются недостатки, свойственные устройству - прототипу.

Это подтверждается следующими ниже доводами.

Межэлектродное расстояние d_k (длина силовой линии, имеющая форму дуги), можно определить из длины прямой h_k, проведенной перпендикулярно из центра (L/2) каждого сигнального электрода 1 (2, 3, 4) до пересечения с высоковольтным электродом 6 (фиг.3):

где R_k=h_k/tg() - радиус дуги.

Математическая обработка экспериментально измеренных напряжений U₁-U₄ для случая, когда пучок протонов проходит вдоль сигнальных электродов, не соприкасаясь с ними, показала, что зависимость U от d можно описать экспоненциальной функцией (кривая 11, фиг.4)

где А и t - постоянные коэффициенты экспоненциальной функции.

Для случая, когда, например, высоковольтный электрод расположен в зоне пучка d₀ (в зоне ионизации), изменение напряжения сопровождается двумя процессами - накоплением заряда и потерями заряда за счет роста рекомбинаций. Так как процесс рекомбинаций в зоне пучка и за его пределами одинаков, зависимость U от d в зоне пучка можно представить функцией (кривая 12, фиг.4):

Производная V'=A/t от функции (5) при d=0 является тангенсом угла наклона касательной (прямая 13, фиг.4) к данной функции, проведенной из начала координат, будет являться характеристикой с учетом рекомбинационных потерь. Уравнение касательной равно:

Число протонов N, прошедшее через камеру, на основании выражения (2) можно представить:

При мониторировании потока протонов с известным поперечным сечением пучка D число протонов N в потоке I можно определить как:

где Т - время интегрирования.

Следовательно, выполнив одновременно измерения напряжений U ₁, U₂, U₃, U₄, снимаемые с сигнальных электродов 1, 2, 3, 4, расположенных на расстояниях d₁, d₂, d₃ d₄ от высоковольтного электрода, можно построить аппроксимацию 11 (фиг.4). На основании выражения (3) по найденному уравнению кривой 11 можно построить кривую 12 и далее к ней касательную 13 (фиг.4). Зная ширину пучка D и используя табличные данные, можно на основании выражения (8) вычислить абсолютное значение числа частиц в потоке.

Высоковольтный электрод выполнен с возможностью регулировки угла между сигнальными электродами (в отличие от прототипа) позволяет оперативно изменять межэлектродные расстояния для измерения различных потоков пучка.

В прототипе для каждого случае делается отдельная камера.

Пример реализации заявляемой ионизационной камеры.

Проверка заявляемой ионизационной камеры для измерения абсолютного числа протонов была выполнена на синхроциклотроне ПИЯФ им.Б.П.Константинова РАН на пучке протонов с энергией 1 ГэВ, интенсивностью N~10⁹ протон/сек и шириной коллимированного пучка 2 см.

Сигнальные электроды разделены друг от друга тонкими зазорами шириной 0,5 мм на двустороннем фольгированном стеклотестолите со стороны высоковольтного электрода (фиг.1). Фольга, охватывающая по периметру сигнальные электроды и фольга с внешней стороны панели, заземлены. Размеры сигнальных электродов: вдоль трассы пучка 3,5 см и в поперечном направлении 6 см. Размеры ИК вдоль трассы пучка - 16 см. Поперечные размеры ИК - 9×13 см.

На фиг.4 представлены экспериментальная зависимость измеренных напряжений с межэлектродными расстояниями d=5,44; 7,26; 9,07, 10.88 см, вычисленные по выражению (3), и соответствующие величинам перпендикуляров h=6; 8; 10, 12 см. Угол между высоковольтным и сигнальным электродами () равен 30°.

Уравнение аппроксимации имеет вид:

Коэффициенты аппроксимаций и ошибки аппроксимации:

	V0	А	t
коэффициенты	0,00534	13,303	5,01
ошибки	0,00176	0,00461	0,0322

На основании этих данных получена величина потока, равная I=3,5·10⁹ протон/с.

Погрешность измерения потока протонов оценена на уровне 5,5%.

Достоинства ионизационной камеры.

Основным достоинством ионизационной камеры с высоковольтным электродом, расположенным под углом к сигнальным электродам по сравнению с ионизационной камерой - прототипом, в которой данные электроды расположены параллельно относительно друг друга, является значительно меньшая погрешность измерения величины потока. Связано это с тем, что при изготовлении камеры заявляемой конструкции автоматически выполняются требования к допускам на межэлектродные расстояния.

Напомним, что конструкционная погрешность в величинах межэлектродных расстояний в камере с плоскопараллельными сигнальными и высоковольтными электродами в 1% приводят к значительной погрешности измерения потока протонов (до 20%).

Достоинством заявляемой камеры является также ее значительно меньшие размеры вдоль трассы пучка (в 3-4 раза). Это позволяет расширить область применения камеры, где по трассе пучка могут быть размещены объекты облучения.

Необходимо также отметить возможность расширения диапазона измеряемых потоков заряженных частиц коррекцией чувствительности камеры с помощью изменения угол между высоковольтным и сигнальными электродами.

Заявляемая ионизационная камера может найти применение на ускорителях заряженных частиц, где необходимы корректные измерения потоков частиц в режиме реального времени без предварительной ее градуировки. Также следует отметить, что измерения потоков протонов проводится без влияния самого прибора на исследуемый пучок. Простое и оперативное изменение диапазона измеряемых потоков и габаритов ионизационной камеры является важным достоинством в физических экспериментах и в протонной терапии.

Литература

1. О.В.Лобанов, В.В.Пашук. Двухсекционная ионизационная камера. Патент на полезную модель 54462, МПК H01J 47/02.

2. О.В.Лобанов, В.В.Пашук. Ионизационная камера. - прототип. Патент на полезную модель 57512, МПК H01J 47/02.

Ионизационная камера для измерения потока заряженных частиц, включающая высоковольтный электрод, сигнальные электроды, расположенные друг за другом по ходу пучка на диэлектрической панели, заземленный электрод, расположенный на той же диэлектрической панели и охватывающий сигнальные электроды, причем каждый сигнальный электрод отделен от заземленного электрода изолирующим зазором, отличающаяся тем, что заземленный электрод охватывает все сигнальные электроды только по их наружной части, сигнальные электроды отделены друг от друга изолирующим зазором, а высоковольтный электрод выполнен плоским и расположен под углом к плоскости сигнальных электродов с возможностью регулировки угла.