Измеритель параметров пучков ионизирующих частиц

 

Изобретение относится к технике измерения заряженных частиц, более конкретно к измерителям параметров пучков ионизирующих частиц. Целью изобретения является расширение функциональнмх возможностей устройства, упрощение его конструкции. Цель достигается тем, что устройство содержит трехпроволочную мишень, скомбинированную из различных материалов с положительным и отрицательным значениями параметра Грюнайзена, акустический детектор и регистрирующее устройство . Систему из таких мишеней можно непосредственно располагать в разных местах пучкопровода, я получаемую информацию со всех мишеней использовать как в дозиметрических целях , так и в системах фокусировки, транспортировки и управления пучком ионизирующих частиц,. 2 з.п.ф-лы. 3 ил. SS (/

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

GOLDA ËÈÑÒÈ×ÅÑÍÈÕ

РЕСПУБЛИК (5l)5 С 01 Т 1/29

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

l1Q ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (46) 30. 04. 9l . Бюл. и 16 (21) 4401 524/25 (22) 04. 04. 88 (72) А. И. Калиниченко, А. Г. Пономарев, Г.Ф. Попов, В.Т. Уваров и А.Л. Шкилев (53) 621.387.424 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М,463082, кл. 4 Oi Т 1/16, 1973.

Авторское свидетельство СССР

У 689428, кл. G 01 Т 1/16, 1978« (54) И.ВЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКОВ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к технике измерения заряженных частиц, более конкретно к измерителям параметров пучков ионизирующих частиц. Целью изобретения является расширение функ"

Изобретение относится к доэиметрии импульсных пучков ионизирующих частиц (ПИЧ) радиационно-акустическими методами, в частности, для измерения параметров несплошных кольцевых, эллиптических (в виде части кольца, эллипса) и др. ПИЧ (электронов, протонов, нейтронов, -квантов, многозарядных ионов и лр) .

Целью изобретения является расширение функциональной возможности уст" ройства путем осуществления воэможности регистрации несплошнык пучков и определения характеристик ПИЧ в одном токовом импульсе, а также упучшение конструкции.

Сущность изобретения может быть раскрыта следующими пояснениями.

Предлагаемое устройство, также как И иэнеcòí å содержит проволочную

„.SU„„. 1538715 А1

2 циональных воэможностей устройства, упрощение его конструкции. Цель достигается тем, что устройство содержит трехпроволочную мишень, скомбинированную из различных материалов с положительным и отрицательным значениями параметра Грюнайзена, акустический детектор и регистрирующее устройство. Систему из таких мишеней можно непосредственно располагать в разных местах пучкопровода, а получаемую информацию со всех мишеней испольэовать как в доэиметрическнх целях, так и в системах фокусировки, транспортировки и управления пучком ионизирующих частиц,. 2 э.п.ф-лы.

3 ил. мишень, акустический детектор, соединенный с проволочной мишенью через акустический контакт, и регистрирующее устройство.

Проволочная мишень содержит три (Д проволочки, расположенньм в одной плоскости .и соединенных в одной точке, причем одна или две проволочки выполнены иэ материала с положительным значением параметра Грюнайзена, а оставшаяся (иеся) проволочка (и) выполнены из материала с отрицательным значением параметра Грюнайзе- « на, при этом акустический детектор соединен с одной иэ двух проволочек с одинаковым значением параметра

Грюнайзена. Проволочки могут быть расположены равномерно по окружности, Ь образуя центральные углы 120 . Измеритель параметров ПИЧ может содержать

1538715 несколько одинаковых трехпроволочных мишеней, расположенных перпендикуляр" но оси кольцевого ПИЧ на некотором расстоянии друг от друга и соединен5 ных между собой акустическим контактом с одним акустическим детектором, При прохождении импульсных пучков ионизирующих частиц (электронов, протонов, f-xhaa oa, нейтронов, много- 10 зарядных конов) через конденсиро" ванные среды возбуждаются акустические колебания, обусловленные термоупругим механизмом, в основе которого лежит перегрев зоны взаимодействия, вызванный диссипированными потерями энергии частиц пучка. Перегрев зоны взаимодействия приводит к возникновению нестационарнык термоупругих напряжений и, как следствие этого, к воз буждению акустических колебаний распространяющихся по образцу-мишени

Акустическое давление, возбуждаемое в образце пучком ионизирующих частиц, определяется выражением 25 я где Е (r, t)

- плотность поглощенной энергии пучка ионизи- З< рующих частиц в веществе мишени;

Г = Ы В /С вЂ” параметр Грюнайзена

P вещества мишени; где o6 („ -- коэффициент объемного

Ф Ф у 35 расширения, скорость звука:. теплоемкость вещества мишени.

Исследуя радиационно"акустический эффект гадолиния, обладающий фазовым 40 переходом второго рода (перехода иэ ферромагнитного состояния в парамагнитное), впервые экспериментально обнаружено, что при облучении гадоли" ния импульсным пучком электронов воз-.45 буждаемая амплитуда акустического сигнала при изменении температуры мишени в области фазового перехода (температура Кюри Т „ = 289 К) меняет фазу. При температурах Т 295 К амплитуда возбуждаемого акустического

50 сигнала положительная, т.е. генери" руется волна сжатия, а в области тем- пературы Т 295 К амплитуда возбуждаемого акустического сигнала отрицательная, т.е, генерируется волна раз55 режения.

Фазовый переход ферромагнетик парамагнетик (Ф П) обратимый, в реэультате перехода Ф П происходит изменение степени симметрии магнитных моментов атомов гадолиния иэ упорядо ченной структуры (ферромагнетик) в раэупорядоченную (парамагнетик), Этот переход происходит беэ изменения агрегатного состояния и химического состава. В области фазового перехода у гадолиния изменяются теплофизические и упругие характеристики. В ре-. зультате этого параметр Грюнайэена гадолиния при изменении температуры в области фазового перехода

Ф .- П изменяет знак. В области температур Т ) 295 К параметр Грюнайэена положителен, а в областк темпера" тур T (295 К параметр Грюйайзена отрицателен. Соответственно и амплитуда акустического сигнала, возбуждаемого потоком ионизирующих частиц при переходе Ф П, будет изменять фазу (см.выражение (1)), т.к. величина E.(r, t) в процессе перехода <9 II остается постоянной.

Этот экспериментально обнаруженный эффект позволил получить простое техническое решение для создания измерителя параметров несплошных кольцевых ПИЧ, основакное на одновременном использовании материалов с отрицательным и положительным значениями параметров Грюнайзена (Г) для прово" лочной мишени.

При взаимодействии кольцевого

ПИЧ с трехпроводной мишенью в каждой иэ проволочек будет возбуждаться акустический сигнал, пропорциональный плотности энерговыделения ПИЧ и генерационной способности материала проволочки, мерой которой является параметр Грюнайзена материала мишени.

В проволочках с положительным пара" метром Грюнайэена (Г+) будет возбуждаться волна сжатия, форма которой определяется пространственным распределением плотности потока ионизирующих частиц по ширине кольца, а в проволочке с отрицательным значением параметра Грюнайзена (I) будет возбуждаться волна разрежения (противоположной полярности волне сжатия) .

Например, в варианте с трехпроволочной мишенью, у которой две проволочки Г+, а одна Г акустический детектор в регистрирующее устройство зарегистрирует три акустических сигнала, первый акустический сигнал положительной полярности (волна сжатия) t 538 71 >

20 экран.

В качестве регистрирующего устройства можно использовать осциллограф, самописец или входное устройство 3BH.

Выбор гадолиния р качестве облучаемого материала мишени для формирования отрицательного акустического сигнала !!ИЧ связан с тем, что у гадолиния температурный интервал, в котором параметр Грюнайзена принимает отрицательное значение Г= i наиболее близко расположен к комнатной температуре. Авторы исследовали и другие материалы с фозовым переходом первого и второго рода, такие редкоземельные металлы, как диспрозий, тербий и др., у которых параметр Грюнайэена зависит от температуры и может принимать отрицательные значения. Однако у этих металлов начало области температур отрицательных значений параметра

Грюнайзена находится значительно ниже комнатной температуры Т 100250 К ° (Распространенность редкоземельных металлов в земной коре, например шире, чем у ртути и встречаются они приблизительно так же час50 от проволочки, на которой расп< ложен акустический детектор, второй и третий акустические сигналы в зависимости от их полярности (положитель5 ный или отрицательный) однозначно укажут, в какой проволочке и в какой последовательности возбуждаются ПИЧ акустические сигналы. Временная последовательность регистрации акусти- 10 ческих сигналов от каждой из проволочек позволяет однозначно определить размер и местоположейие кольцевого

I!Hi в пространстве.

Использование нескольких одинаковых трехпроволочных мишеней, расположенных нормально оси кольцевого !!ИЧ на некотором расстоянии друг от друга и соединенных между собой акустическим контактом позволяет определять расходимость ПЙЧ в пространстве одним акустическим детектором.

На фиг ° 1 изображен вариант устройства; на фиг.2 — временная после- 25 довательност прихода акустических сигналов от.области взаимодействия

ПИЧ с мишенью к акустическому детектору; на фиг ° 3 — вариант устройства, измеряющего расходимость ПИЧ.

Устройство содержит проволочную мишень, состоящую иэ трех проволочек 1-3 (фиг,1) диаметром d и длиной 1, акустический детектор 4 и регистрирующее устройство 5.- Проволочки расположены в опной плоскости и соединены концами через акустический контакт между собой в,одной точке, противоположные концы проволочек образуют расходящиеся лучи под про- 40 извольными углами между собой. Углы между проволочками выбираются в зависимости от формы контура несплошных ПИЧ, которая может быть элипсной, кольцевой или в виде части элииса, 45 кольца и др. Для измерения параметров кольцевых ПИЧ проволочки целесообразно расположить по окружности равномерно через 120, для элипсных

ПИЧ можно испольэовать Т-образное расположение проволочек и т.д °

Две проволочки выполнены .из одинакового материала, например, латуни, меди, железа с положительным значением параметра Грюнайэена, третья проволо ка, например, из гадолиния (Gd), у которого при температуре Т 295 К параметр Грюнайэена принимает отрицательное значение.

Комбинация материалов проволочек может быть и дру ой, например, дне проволочки с отрицательным значением, а третья с положительным значением парам«тра Грюнайзена. Обязазельное условие должно: !>,øîëíÿòüñÿ при этом, чтобы одна из проволочек имела значение параметра рюнайзена противоположное первьм двум .

Конструктивно первые дяе проволочки представляют собой одну проволочку длиной 21, изогнутую посередине под проиэв<зльным углом. Третью проволочку для обеспечения надежного акустического контакта и механической прочности мишени припаивают к точке изгиба под произвольным углом к первым двум.

Акустический детектор через акустический контакт подсо«линен к одному из торцов изогнутой проволочки.

Акустический детектор представляет собой широкополосный пьеэоприемник, состоящий иэ тонкого пьезокерамического диска (материал - пьезокерамика типа ЦТС-23, ЦТС-19) толщиной h 0,5-1 мм, соединенного с

TbUlbHoH стороны с коничеcKHH поглоти-телем и заключенного в металлический! 538715

1 Х пульса на время = — + —, где

s s, скорость звука в гадолннии. По ,л л л задержкам 4, ь, ь однозначно определяются расстояния Х, Х X, a полярность. акустических импульсов (положительная или отрицательная) от точек В и С однозначно укажет, н какой проволочке 2 или 3 и в какой последовательности возбуждаются ПИЧ акустические сигналы. 11о расстояниям

Х4, ХВ, ХС определяются координаты

50 то, как олово или свинец, поэтому онн доступны также, как и другие металлы).

Работу устройства рассмотрии на примере определения параметров

5 кольцевых пучков ионизирующих частиц, когда проволочки расположены равномерно по окружности 120 С. Рассмотрим вариант работы устройства, содержащего две медные проволочки 1 и 2 (фиг.1) с положительныи значением параметра Грюнайзена, равным Г= 2, и одну проволочку иэ гадолиния с отрицательным значением параметра Грю" найзена Г 1, которые соединены в

15 точке О. Пусть кольцевой иучок диаметром Р и шириной кольца h пересе" кает мишень в точках А,В, С, обозначии расстояния от точки О до точек

А,В,С соответственно Х4, Х В, Хс, а

20 расстояние от точки О до акустического детектора (длина первой проволочки) I» Введем декартовую систему координат так, чтобы ось Х была направлена вдоль первой проволочки.

В качестве регистрирующего устройства будем использовать осцилограф.

Последовательность прихода акустических сигналов от точек А,В, С приведена на фиг.2.

При взаимодействии кольцевого

ПИЧ с трехпроволочной мишенью акустический детектор первым нсегда будет регистрировать акустический сигнал от точки А. Этот сигнал положитель- 35 ный и задержан относительно синхро"

HMIIvtlëãÿ v"KopHTeJlh а время 64 =

0 Х4) /В где - скорость звука в меди. Вторым будет зарегистри" рован акустический сигнал от точки 40

В,, он также положителен и задержан относительно синхроимпульса на время = (1+Х )/S<. Третьим будеТ зарегистрирован акустический сигнал от точки С, он будет отрицательный 45 и задержан относительно синхроииточек пересечения ПИЧ с мишенью,точки А, В, С имеют координаты:

А(Х4 О) В (- 2 Х ) С (2 ° х, Гз,, х, Г3 „)

2 С

Как известно, через три точки, не лежащие на одной прямой, можно провести окружность одного радиуса, т.е. однозначно определить ра диус 11ИЧ и положение центра тяжести

ПИЧ.

Форма акустического импульса в точках пересечения кольцевого ПИЧ с мишенью определяется пространственным распределением ионизирующих частиц по ширине кольца, длительность этих импульсов равняется времени акустической релаксации области взаимодействия ПИЧ с проволочкой л

= h/Б, где $ — скорость звука материала проволочек, что позволяет определять ширину кольцевого ПИЧ, амплитуда импульсов связана с плот" ностью распределения ионизирующих частиц по ширине кольцевого ПИЧ, т.е. по акустическии сигналам из точек пересечения кольцевого ПИЧ с мишенью однозначно определяются ширина кольцевого ПИЧ и плотность рас" пределения ионизирующих частиц по ширине кольцевого ПИЧ, т.е. плотность потока ионизирующих частиц.

Измеритель параметров ЛИЧ может состоять иэ нескольких трехпроволочных мишеней, расположенных на некоторои расстоянии друг от друга и соединенных между собой.акустическим контактом (фиг.3) . Последова" тельное .соединение этих мишеней должно обязательно производиться с тех проволочек, на которых должны устанавливаться акустические детекторы. При этом съем информации со всех мишеней производится одним акустическим детектором, поскольку поступление акустических сигналов с каждой последующей мишени будет иметь дополнительную временную задержку, равную Х /S, Х /S° . ° ° X„/S, где S - . скорость звука материала соединяющей проволочки. Практически это осуществляется следующим образом. К проволочке длиной Х и припоминают мишени на расстоянии Х, друг от друга, акустический детектор соединяют акустическим контактом с перной нли последней мишенью. 3m измерительное устройство позволяет получать инфор1538715

f0 мацию о расходимости кольцевых ПИЧ в пространстве.По сравнению с известным . процесс измерения и получения информации о расходимости ПИЧ в предложенном устройстве значительно упрощается, поскольку не .требуется механического сканирования мишеней в плоскости, перпендикулярной оси ПИЧ. Это поз" воляет размещать мишени непосредственно в пучкопроводе и контролировать параметры ПИЧ во всех местах его транспортировки, не внося существенных искажений в параметры самого ПИЧ.

Предложенное устройство может регистрировать импульсные потоки электронов, позитронов, протонов, К-квантов, нейтронов, многозарядных ионов и др. Плотность потока ионизирующих частиц при измерении предлагаемым акустическим дозиметром может находить1 ся в пределах 10 -10 частиц/см,где

s м нижний предел определяется уровнем молекулярных шумов веществ мишени, а верхний предел " прочностью вещест- 25 ва мишени на разрушение. Длительность измеряемых импульсов ПИЧ может находиться в пределах 10 З вЂ” 10 . с.

Предложенное устройство обладает хорошей помехозащищенностью от импульсных электромагнитных помех, что

30 позволяет проводить измерения параметров сильноточных ПИЧ, генерация которых сопровождается мощными электромагнитными наводками.

Г 35

Формула изобретения

1. Измеритель параметров пучков ионизирующих частиц, состоящий из проволочной мишени, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси пучка ионизирующих частиц, акустического детектора, соединенного с проволочной мишенью через акустический контакт, и регистрирующего устройства, о т л и -ч а ю щ и Й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей путем осуществления возможности регистрации несплошных кольцевых пучков и определения характеристик пучка ионизирующих частиц в одном токовом импульсе,-;а также упрощения конструкции, проволочная мишень выполнена иэ трех проволочек, расположенных в одной плоскости и соединенных в одной тбЧ" ке, причем одна часть проволочек выполнена из материала с положительным значением параметра Грюнайзена, а оставшаяся часть иэ трех проволочек — из материала с отрицательным значением параметра Грюнайзена, при этом акустический детектор соединен с одной иэ двух проволочек с одинаковым значением параметра Грюнайзена.

2. Измеритель по п.1, о т л ич а ю щ и Й с я тем, что проволочки располбжены равномерно по окружносО ти, образуя центральные углы 120

3. Измеритель по п.1, о т л ич а ю щ и Й с я тем, что он содер" жит несколько трехпроволочных мишеней, расположенных вдоль оси пучка и соединенных с одним акустическим детектором. юя) Фиг.д

Составитель С. Кондратенко

Техред И.Дидык Корректор Э. Лончакова

Редактор Т. Куркова

Заказ 2146 Тира к 313 Подписное

ВЯИИПИ Государственного комитета по иэобретенияк и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, 5-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский.комбинат "Патент", r. У@город, ул. Гагарина, 101

Ф

Ф

1538715 с - / у Х /g>