Ионизационная камера
Ионизационная камера (ИК) относится к приборам для определения величины интенсивности, плотности энергии излучения, ИК содержит высоковольтный (в/в) электрод, который выполнен ступенчатым, сигнальные электроды, расположенные в одной плоскости с в/в электродами, и заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальные электроды. Количество сигнальных электродов соответствует числу ступенек высоковольтного электрода. Достоинством ИК является получение в режиме реального времени абсолютного значения-числа заряженных частиц.
Изобретение 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 для измерения в режиме реального времени абсолютного числа заряженных частиц (протонов промежуточных энергий) в пучках, описанная в работе [1]. Двухсекционная ионизационная камера (ДИК) с воздушным наполнением содержит два высоковольтных электрода, два сигнальных электрода, расположенные между высоковольтными электродами, и два заземленных электрода с отверстиями по центру для проводки пучка, расположенными в непосредственной близости перед сигнальными электродами. Расстояния между высоковольтным и сигнальным электродом в каждой секции ДИК различны по величине.
В такой конструкции ДИК пучок заряженных частиц проходит через все электроды. Измерение абсолютной интенсивности выполняется по алгоритму на основании одновременно измеренных напряжений на конденсаторах, включенных в цепи двух сигнальных электродов. Однако в некоторых случаях, например, при мониторировании пучков частиц с низкими энергиями, такая конструкция ДИК может оказаться неприемлемой из-за кулоновского рассеяния первичных частиц на ядрах вещества электродов, что приведет к отклонению частиц от первоначального направления и тем самым к уширению пучка.
Решить эту проблему можно, применив ионизационную камеру (ИК), в которой пучок заряженных частиц проходил бы, не пересекая электроды.
Поэтому наиболее близкой к заявляемой ионизационной камере мы рассмотрим ИК для измерения величины ионизирующего излучения [2], в которой поток проходит между электродами и, таким образом исключаются те нежелательные явления, которые присущи аналогу [1]. ИК содержит высоковольтный электрод и расположенные в одной плоскости сигнальный электрод и заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальный электрод. Высоковольтный электрод равен по размеру заземленному электроду, причем высоковольтный электрод параллелен сигнальному электроду и заземленному электроду. Заземленный электрод предназначен для выравнивания электрического поля внутри ИК с целью определения точного рабочего объема внутри ИК. Заряды, образующиеся в результате
ионизации газа заряженными частицами в области сигнального электрода, двигаясь по силовым линиям электрического поля, собираются на сигнальном электроде, а за пределами сигнального электрода - на заземленном электроде. Интенсивность потока ионизирующего излучения определяется измерением электронной аппаратурой тока в цепи сигнального электрода, соответствующего количеству собираемого заряда на сигнальном электроде.
Недостатком устройства-прототипа является то, что прибор предназначен только для относительных измерений, поскольку в процессе регистрации всегда неизвестна потеря зарядов в результате их рекомбинаций, которая зависит от многих факторов, таких как: пространственной и временной плотности ионизации, интенсивности потока, временной задержки считывания информации и т.д. Для проведения абсолютных измерений потока ионизирующего излучения требуется градуировка устройства-прототипа первичными абсолютными детекторами (цилиндром Фарадея, активационным детектором и т.д.). В процессе градуировки возникают погрешности градуировки, а сам процесс сложен, требует большого затрата времени.
Задачей заявляемой ИК является получение в режиме реального времени абсолютных значений числа заряженных частиц в пучке.
Поставленная задача достигается тем, что в известной ионизационной камере для измерения потока ионизирующего излучения, содержащей высоковольтный электрод и расположенные в одной плоскости сигнальный электрод и заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальный электрод, причем высоковольтный электрод параллелен сигнальному электроду и заземленному электроду, новым является то, что высоковольтный электрод выполнен ступенчатым и дополнительно введены еще равные по размеру сигнальные электроды в количестве не менее трех, число которых соответствует количеству ступенек высоковольтного электрода, а расстояния между ступеньками высоковольтного электрода и соответствующими сигнальными электродами не равны между собой.
Выполнение высоковольтного электрода ступенчатым и наличие не менее трех сигнальных электродов, расположенных на разных расстояниях от ступенек высоковольтного электрода, обеспечивает различные по величине межэлектродные расстояния (как в аналоге), что позволяет найти алгоритм вычисления абсолютного числа заряженных частиц в потоке, в режиме реального времени.
На фигуре 1 представлена ионизационная камера 1 с поперечным электрическим полем относительно трассы пучка (ИК), корпус которой не имеет стенок со стороны входа и выхода пучка заряженных частиц (а - вид с бокового торца электродов, б - вид
сверху, в - вид со стороны торца пучка частиц) где 2 - ступенчатый высоковольтный электрод; 3, 4, 5 - сигнальные электроды; 6 - заземленный электрод; 7, 8, 9 - конденсаторы; 10 - измерительный прибор; 11 - силовые линии электрического поля (пунктирные стрелки); 12 - источник высокого напряжения; 13 - ЭВМ. Высоковольтный электрод 2 подключен к источнику высокого напряжения 12. Расстояния между ступеньками высоковольтного электрода 2 и сигнальными электродами 3, 4, 5 соответствуют d 1, d2, d3. Сигнальные электроды 3, 4, 5 подключены соответственно к конденсаторам 7, 8, 9. Измерительный прибор 10, куда входят конденсаторы 7, 8, 9, связан с ЭВМ 13.
На фигуре 2 представлены: 14 - экстраполяция зависимости экспериментально измеренных напряжений V 1, V2, V3 от величины межэлектродного зазора ПИК d1, d2, d3 между высоковольтным электродом 2 и сигнальными электродами 3, 4, 5; 15 - кривая, построенная на основании зависимости 14; 16 - касательная, построенная к зависимости 15 в точке d0=0 (точке, соответствующей величине межэлектродного зазора, равной нулю); V * - напряжение, соответствующее пересечению кривой 14 с осью абсцисс; 17 - функция нормального распределения, экспериментально измеренной плотности пучка в поперечном сечении; V - напряжение, соответствующее ширине пучка D нормального распределения на уровне вероятного отклонения.
На фигуре 3 представлена экспериментальная установка для проверки принципа работы заявляемой ионизационная камера, где: 18 - профилометр, 1 - исследуемая заявляемая ионизационная камера, 19 - двухсекционная ионизационная камера (аналог), 20 - активационный детектор, 21 - измерительная аппаратура.
В таблице 1 представлены сравнительные значения величины потока протонов, одновременно измеренного приборами, используемыми в эксперименте
Устройство работает следующим образом.
Трехступенчатый высоковольтный электрод 2, расположенный в ИК (1), подключен к высоковольтному источнику питания 12. Через ИК проходит поток заряженных частиц параллельно высоковольтному электроду 2 и сигнальным электродам 3, 4 и 5 не пересекая их.
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. Перемещающиеся разноименные заряды в пространстве между высоковольтным и сигнальными электродами по силовым линиям электрического поля 11, индуцируют
токи во внешних цепях электродов, которыми заряжаются конденсаторы 7, 8 и 9. Заземленный электрод 6, окружающий по периметру сигнальные электроды, предназначен для формирования границ электрического поля в пространстве между высоковольтным и сигнальными электродами. Такая конструкция ИК позволила однозначно определить область измеряемого заряда, образованного первичными частицами в процессе ионизации воздуха.
Измеряемые одновременно напряжения на трех конденсаторах 7, 8 и 9, с равными номиналами, размещенными в измерительном блоке 10, позволяют вычислить по найденному алгоритму с помощью ЭВМ число частиц N в потоке.
Измеренные напряжения V1, V 2 и V3 на конденсаторах 7, 8 и 9 (фиг.2) не равны между собой, так как рекомбинационные потери заряда определяются напряженностью электрического поля, т.е. зависят от величины межэлектродного зазора при постоянной величине высокого напряжения. Зависимость измеряемого напряжения от величины зазора можно представить функцией v'=f(d) (фигура 2 кривая 14). Математическая обработка экспериментальных данных для случая, когда сигнальные электроды расположены вне зоны пучка, показала, что эту зависимость можно описать показательной функцией:
где V* - постоянный коэффициент; d - переменная величина межэлектродного зазора; Т - постоянная экспоненциальной функции.
Для случая, когда сигнальные электроды были бы расположены в зоне пучка (межэлектродные зазоры меньше поперечного сечения пучка), изменение напряжения на конденсаторах сопровождалось бы двумя процессами - накоплением заряда и его рекомбинационными потерями. Так как процесс рекомбинаций в обоих случаях одинаков и зависит только от напряженности электрического поля (в зоне пучка или за его пределами), величину напряжения в этом случае можно представить функцией v"=f(d) (кривая 15), которая имеет вид:
Для случая отсутствия потерь, уровень измеряемого напряжения в зоне пучка имел бы линейную зависимость (прямая 16). Тогда производная от функции (2) при d0 =0 (в точке, соответствующей началу координат); является тангенсом угла наклона касательной 16 к кривой 15, проведенной из начала координат. Данная касательная будет отражать величину напряжения V, соответствующую ширине пучка D на уровне вероятного отклонения
нормального распределения, и будет являться характеристикой ИК с учетом рекомбинационных потерь, которая имеет вид:
Вычислив величину напряжения V, можно найти истинную величину заряда Q без рекомбинационных потерь, образованного в результате ионизации воздуха потоком первичных частиц:
где Q - заряд, образованный в пространстве ИК при прохождении потока заряженных частиц; N - число заряженных частиц в пучке; n - число пар ионов, образованных в ИК заряженной частицей; q - заряд электрона; С - емкость конденсатора; dE p/dx - удельные ионизационные потери заряженной частицы; L - длина стороны сигнального электрода, вдоль которого проходит пучок; 
- плотность воздуха; 
- энергия, затрачиваемая заряженной частицей на образование одной пары ионов.
Из выражения (4) следует, что число первичных заряженных частиц в потоке равно:
Таким образом, из выражений (3), (5) и (6) число заряженных частиц N в пучке можно представить как:
Следовательно, выполнив одновременно три измерения напряжений, снимаемых с сигнальных электродов, расположенных на разных расстояниях от высоковольтного электрода вне зоны пучка, зная ширину пучка и используя табличные данные, можно вычислить абсолютное значение числа частиц в потоке, не воздействуя заявляемой ионизационной камерой на измеряемый пучок.
Экспериментальная проверка.
Проверка работы заявляемой ионизационной камеры с поперечным электрическим полем относительно трассы пучка и принципов расчета абсолютного величины монохроматических заряженных частиц в пучке была выполнена на синхроциклотроне ПИЯФ им.
Б.П.Константинова РАН на пучке протонов с интенсивностью N˜3·10 9 протон/сек, диаметром пучка, равным 1,9 см, на уровне вероятного отклонения (В.О.) нормального распределения, измеренного профилометром 18.
На фигуре 3 представлена экспериментальная установка, состоящая из профилометра 18, выводимого с трассы пучка после его проводки, заявляемой ионизационной камеры 1, монитора с двухсекционной ионизационной камерой (ДИК) 19 [1] и активационного детектора 20, а также установки 21 и ЭВМ 13.
В процессе экспериментальных исследований зависимость 14 строилась по измеренным величинам напряжений V1, V2 и V3 на конденсаторах 7, 8 и 9, включенных в цепи сигнальных электродов 3, 4 и 5. Величины межэлектродных зазоров составляли d1=4 см, d2=6 см и d3=8 см. Длины сигнальных электродов L были равны между собой и составляли 4,5 см. Далее на основании найденного математического алгоритма и по формуле (7) вычислялось число протонов в измеряемом пучке.
Сравнительные результаты измеренного числа протонов в пучке различными приборами, в том числе и аппаратурой с ИК, приведены в таблице 1, из которой видно, что результаты измерений практически совпадают.
Основным достоинством ИК, используемой в измерительной аппаратуре, является получение в режиме реального времени абсолютного значения числа заряженных частиц в пучке, причем электроды камеры не соприкасаются с измеряемым потоком заряженных частиц.
Следует также отметить конструкционную простоту прибора и возможность регулировки его чувствительности путем изменения его параметров (величин межэлектродных зазоров и длины электродов вдоль пучка).
Заявляемая ионизационная камера такой конструкции может найти применение на ускорителях заряженных частиц, где задачи корректных измерений потоков являются необходимыми и важными, а также в тех случаях, где уширение пучков за счет кулоновского рассеяния первичных частиц ядрами электродов ионизационной камеры недопустимо (например, в протонной терапии).
Литература
1. О.В.Лобанов, В.В.Пашук. Двухсекционная ионизационная камера.
Заявка на полезную модель №2005137812/22 (042227). Положительное решение от 20.01.2006.
2. А.И.Абрамов, Ю.А.Казанский, Е.С.Матусевич.
Основы экспериментальных методов ядерной физики.
Москва. Атомиздат. 1970 г. - прототип.
Ионизационная камера для измерения потока ионизирующего излучения, содержащая высоковольтный электрод и расположенные в одной плоскости сигнальный электрод и заземленный электрод, охватывающий по периметру сигнальный электрод, причем высоковольтный электрод параллелен сигнальному электроду и заземленному электроду, отличающаяся тем, что высоковольтный электрод выполнен ступенчатым и дополнительно введены еще сигнальные электроды, равные по размеру и в количестве не менее трех, причем количество их соответствует количеству ступенек высоковольтного электрода, а расстояния между ступеньками высоковольтного электрода и соответствующими сигнальными электродами не равны между собой.
